Ob aktive supermassereiche Schwarze Löcher in Galaxien, Supernova-Explosionen oder Gammastrahlenausbrüche: Sie alle setzten große Energien frei und können wie kosmische Teilchenbeschleuniger wirken. Durch sie entstehen extrem schnelle, energiereiche Teilchen, die einen Teil der kosmischen Strahlung ausmachen. Woher dieser jedoch stammt und welche Ereignisse diesen energiereichsten Anteil der kosmischen Partikel verursachen, ist bisher weitgehend ungeklärt. Einer der Gründe dafür: Geladene Teilchen werden auf ihrem Weg durch den Kosmos immer wieder durch Magnetfelder abgelenkt, so dass sie sich nicht zu ihrem Ursprung zurückverfolgen lassen. Anders ist dies jedoch mit kosmischen Neutrinos: Diese Teilchen sind nahezu masselos, ungeladen und wechselwirken nur wenig mit Materie, gleichzeitig entstehen auch sie bei einigen der energiereichsten Ereignisse im Kosmos. „Neutrinos sind besondere kosmische Boten, die uns einzigartige Informationen über die Mechanismen der energiereichsten Phänomene liefern und es uns ermöglichen, die äußersten Bereiche des Universums zu erforschen“, erklärt Rosa Coniglione vom INFN, dem Nationalen Institut für Kernphysik in Italien.
Neutrino-Detektoren am Grund des Mittelmeeres
Kosmische Neutrinos zu erfassen, ist jedoch alles andere als einfach, weil diese Elementarteilchen kaum mit anderer Materie interagieren. Nachweisen lassen sich die seltenen Fälle der Kollision eines Neutrinos mit einem Atom durch die dabei erzeugten Sekundärteilchen, darunter Myonen. Diese Teilchen setzen bei Interaktion mit Materie Energie in Form winziger Lichtblitze frei, die von speziellen Photodetektoren aufgefangen werden können. “Um die Passage dieser geladenen Teilchen zu detektieren, die in oder nahe dem Detektor durch Neutrino-Interaktionen entstehen, nutzen Neutrino-Observatorien sehr große Volumen von Wasser oder Eis”, erklärt die KM3NeT-Kollaboration, die Forschungsinitiative hinter dem Kilometre Cube Neutrino Telescope (KM3NeT). Die Herausforderung ist es dabei, die wenigen kosmischen, sehr energiereichen Neutrino-Signale von denen der weit zahlreicheren atmosphärischen Neutrinos zu unterscheiden.
Die energiereichsten kosmischen Neutrino-Signale wurden bisher vom IceCube-Neutrinodetektor am Südpol eingefangen, der dafür mehr als 5000 kugelförmige, im Eis versenkte Photodetektoren nutzt. Unter den Funden waren ein Antineutrino mit 6,5 Petaelektronenvolt und ein Neutrino mit 10 Petaelektronenvolt – dies entspricht dem Zehn-Billiardenfachen der Energie eines Elektrons. Doch jetzt haben Astrophysiker ein noch weit stärkeres Neutrino-Signal detektiert. Dieses zeigte sich in einem der beiden Detektorfelder des noch im Bau befindlichen KM3NeT-Neutrinodetektors am Grund des Mittelmeers. Diese nutzen kugelförmige, am Meeresboden verankerte Photodetektoren, um das schwache bläuliche Tscherenkowlicht der durch die Neutrinos erzeugten sekundären Teilchen aufzufangen. Das Messfeld ARCA liegt vor der Küste Siziliens in rund 3450 Meter Tiefe und wird im fertigen Zustand 230 jeweils rund 100 Meter voneinander entfernte Detektoreinheiten umfassen. Jede von ihnen besteht aus Photodetektoren, die an hunderte Meter langen Leinen übereinander angeordnet sind. Das zweite Messfeld, ORCA, liegt in 2450 Meter Tiefe vor der Küste Südfrankreichs und wird 115 Detektoreinheiten im Abstand von jeweils 20 Meter umfassen.
