Neutrinos sind überall, aber nur schwer nachzuweisen. Denn diese fast masselosen Elementarteilchen wechselwirken kaum mit Materie. Sie entstehen bei radioaktiven Kernzerfällen, bei der Kernfusion in Sternen, aber auch bei energiereichen kosmischen Explosionen, wie beispielsweise der Supernova eines Sterns. Eine einzige solche Kernkollaps-Supernova kann die enorme Menge von 1058 Neutrinos aller Sorten freisetzen.
Fahndung nach uralten Supernova-Neutrinos
Astrophysiker vermuten, dass das gesamte Universum von einem diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund (Diffuse Supernova Neutrino Background, DSNB) erfüllt ist. Dieses kosmische Grundrauschen müsste Neutrinos nahezu aller Sternexplosionen seit dem Urknall enthalten – und könnte daher viel über die Geschichte unseres Universums verraten. Modellen zufolge haben diese teils uralten Supernova-Neutrinos heute noch Energien zwischen einem und einigen Dutzend Megaelektronenvolt.
Seit dem Urknall haben Sternexplosionen immer wieder Neutrinos freigesetzt. Diese müssten heute noch als diffuser Supernova-Neutrino-Hintergrund nachweisbar sein. — © Kamioka Observatory/ Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo
Doch genau das macht es schwer, den bisher nur theoretisch postulierten Neutrino-Hintergrund nachzuweisen. Denn Neutrinos aus nahen Quellen wie der Sonne, den radioaktiven Zerfällen im irdischen Gestein oder aus Atomreaktoren überlagern in diesem Energiebereich das schwache „Flüstern“ der Supernova-Neutrinos. Nur wenige Neutrino-Detektoren weltweit sind ausreichend abgeschirmt und ausgerüstet, um dieses Signal überhaupt identifizieren zu können.
Lichtblitze im Untergrundtank
Einer dieser Neutrino-Detektoren ist der Super-Kamiokande in der japanischen Gifu-Präfektur. Dieses unter tausend Metern Fels gelegene Untergrundobservatorium nutzt einen Tank mit 50.000 Litern ultrareinem Wasser als Fahndungshilfe. Kollidiert ein Neutrino in diesem Tank mit einem Wassermolekül, entstehen sekundäre Teilchen und ein schwacher Lichtblitz, den rund 13.000 Photosensoren in den Wänden des Detektortanks registrieren.
Ein Team um Hiroyuki Sekiya von der Super-Kamiokande-Kollaboration hat nun Daten von 5000 Beobachtungstagen dieses Neutrino-Detektors ausgewertet, um nach Spuren des Supernova-Neutrino-Hintergrunds zu suchen. Die Daten stammen teilweise von Messungen mit reinem Wasser im Detektortank und teilweise von einer verbesserten, sensitiveren Messphase, in der dem Wasser Gadolinium zugesetzt wurde.
Super-Kamiokande-Detektor in Japan weist Neutrinos über ihre Kollisionen mit Protonen des Wassers und Gadolinium-Atomen und die dabei erzeugten sekundären Teilchen und Lichtblitze nach. — © Kamioka Observatory/ Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo
Verräterischer Neutrino-Überschuss
Und tatsächlich: Die Physiker entdeckten ein statistisch signifikantes Signal – einen leichten Überschuss an Neutrinosignalen im Energiebereich zwischen 13,3 und 81,3 Megaelektronenvolt. Dieser Überschuss liegt damit in einem Bereich, der zum Supernova-Hintergrund passt, wie das Team erklärt. Das detektierte Signal entspricht einem Einstrom von im Schnitt 3,6 zusätzlichen Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde – zu viel, um durch bloßen Zufall erklärt zu werden.
Allerdings: Mit einer Signifikanz von 2,6 Sigma reicht der am Super-Kamiokande detektierte Neutrino-Überschuss nicht aus, um offiziell als Nachweis zu gelten – dafür wäre eine Signifikanz von 5 Sigma nötig. Die Physiker bezeichnen ihre – noch vorläufigen – Resultate daher als starkes Indiz: „Super-Kamiokande hat das erste Indiz für den diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund detektiert“, schreiben sie.
Vorläufige Ergebnisse der Suche nach dem diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund mit Super-Kamiokande. Der rote Bereich zeigt den Neutrino-Überschuss an. — © Super-Kamiokande Collaboration
Sekiya und sein Team sind jedoch zuversichtlich, dass sie die Signifikanz ihrer Ergebnisse durch weitere Messungen noch steigern können. Schon jetzt sehen sie in ihrem Signal einen wichtigen Durchbruch: „Den weltweit ersten Hinweis auf den diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund zu beobachten, ist eine zutiefst bedeutsame Errungenschaft“, sagt Sekiya. „Denn seit Beginn des Super-Kamiokande-Projekts war dies ein lange gehegtes Ziel.“
Quelle: Hiroyuki Sekiya (Unioversity of Tokyo) et al., Neutrino 2026: XXXII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, Präsentation
