Detektor im Mittelmeer entdeckt Neutrino jenseits der bekannten Physik
Rätsel der Teilchenphysik: Ein Neutrino-Fund im Mittelmeer passt nicht zu IceCube-Daten und könnte Hinweise auf neue Physik liefern.
KM3NeT registriert ein 220-PeV-Neutrino. Neue Studie untersucht mögliche Physik jenseits des Standardmodells.
Foto: Smarterpix / SaschaWi
Neutrinos gehören zu den ungewöhnlichsten Teilchen der Physik. Sie besitzen nur eine winzige Masse, tragen keine elektrische Ladung und reagieren extrem selten mit Materie. Milliarden dieser Teilchen durchqueren in jeder Sekunde Ihren Körper – ohne dass Sie davon etwas bemerken.
Gerade diese Eigenschaft macht Neutrinos für Forschende interessant. Weil sie kaum mit Materie kollidieren, können sie nahezu ungehindert durch das Universum reisen. Sie transportieren Informationen aus extremen kosmischen Regionen, etwa aus Supernova-Explosionen, aus Jets aktiver Galaxien oder aus der Umgebung supermassiver Schwarzer Löcher.
Nun hat ein Detektor auf dem Grund des Mittelmeers ein Ereignis registriert, das selbst in diesem exotischen Teilchenzoo heraussticht.
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Ein kosmischer Bote mit 220 PeV
Das KM3NeT-Neutrinoobservatorium befindet sich mehrere Kilometer tief im Mittelmeer. Dort überwachen tausende optische Sensoren ein gigantisches Wasservolumen. Sie suchen nach einem schwachen blauen Lichtblitz – der sogenannten Cherenkov-Strahlung.
Dieses Licht entsteht, wenn ein Neutrino im Wasser ein geladenes Sekundärteilchen erzeugt, das sich schneller als das Licht im Medium bewegt. Die Sensoren registrieren diesen Lichtkegel und rekonstruieren daraus Richtung und Energie des ursprünglichen Teilchens.
In den Daten tauchte kürzlich ein besonders energiereiches Ereignis auf. Analysen rekonstruieren eine Energie von rund 220 PeV (Petaelektronenvolt). Damit gehört das Teilchen zu den energiereichsten Neutrinos, die bislang beobachtet wurden.
Solche Energien liegen weit über dem, was Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen können. Ultrahochenergetische Neutrinos gelten daher als natürliche Experimente der Astrophysik.
Zwei Detektoren, unterschiedliche Ergebnisse
Der Fund wirft allerdings eine Frage auf. Ein anderes großes Neutrino-Observatorium, IceCube am Südpol, beobachtet seit Jahren kosmische Neutrinos im antarktischen Eis. Modelle legen nahe, dass auch dort Ereignisse in dieser Energieklasse auftreten könnten.
Bisher wurden jedoch keine vergleichbaren Signale registriert. Diese Diskrepanz hat Forschende der Oklahoma State University genauer untersucht. Ihre Analyse erschien in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
„Unsere Arbeit wurde durch den Nachweis eines ultrahochenergetischen Neutrinos durch den KM3NeT-Detektor motiviert“, erklärten Vedran Brdar und Dibya S. Chattopadhyay gegenüber Phys.org.
Besonders überraschend sei der Vergleich mit IceCube: „Der Nachweis eines 220-PeV-Neutrinos durch den KM3NeT-Detektor war besonders überraschend, da der IceCube-Detektor trotz seiner längeren Datenerfassungszeit und größeren effektiven Fläche keine Ereignisse mit vergleichbarer Energie beobachtet hat.“
Spielt neue Physik eine Rolle?
Die Forschenden untersuchten daher Szenarien, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen. Dieses Modell beschreibt die bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen sehr erfolgreich. Dennoch gilt es nicht als vollständige Theorie.
Eine mögliche Erklärung sind sogenannte sterile Neutrinos. Dabei handelt es sich um hypothetische Teilchen, die nicht über die bekannten Kräfte der Physik wechselwirken. Sie könnten sich nur indirekt bemerkbar machen, etwa durch ihre Mischung mit bekannten Neutrinosorten.
„Aktive Neutrinos sind die Neutrinos, die wir bereits kennen, die gelegentlich mit Materie wechselwirken und nachgewiesen werden können“, erklärten Brdar und Chattopadhyay.
„Sterile Neutrinos sind hypothetische Neutrinos, die in erster Linie indirekt durch ihre Vermischung mit den aktiven Neutrinos untersucht werden können.“
Eine wichtige Rolle könnte dabei ein bereits bekannter quantenphysikalischer Effekt spielen: Neutrino-Oszillationen. Dabei wechseln Neutrinos während ihres Fluges ihren Typ. Dieser Effekt wurde Ende der 1990er-Jahre experimentell bestätigt.
Der Weg durch die Erde als entscheidender Faktor
Die Forschenden stellten eine zentrale Frage: „Was ist der wichtigste Unterschied zwischen KM3NeT und IceCube bei diesem Ereignis?“Die Antwort könnte im Weg liegen, den das Neutrino vor der Detektion zurücklegt. In einem möglichen Szenario müsste ein Signal, das KM3NeT erreicht, etwa 150 km Gestein und Meerwasser durchqueren. Für IceCube beträgt dieser Weg dagegen nur rund 14 km antarktisches Eis.
Materie kann Neutrino-Oszillationen beeinflussen. Wenn sterile Neutrinos beteiligt sind, könnten sie auf diesem Weg teilweise in nachweisbare Neutrinos umgewandelt werden. „Die von uns vorgeschlagene Idee ist, dass ein überwiegend steriler Neutrinofluss bei KM3NeT viele aktive Neutrinos erzeugen könnte“, erklärten die Forschenden.
Der längere Weg durch Materie könnte das Signal im Mittelmeer-Detektor verstärken. IceCube würde in diesem Szenario deutlich weniger Ereignisse registrieren.
Ein Blick auf Energien jenseits der Beschleuniger
Sollte sich diese Erklärung bestätigen, hätte das weitreichende Konsequenzen. Ultrahochenergetische Neutrinos könnten Einblicke in physikalische Prozesse liefern, die weit über die Energien heutiger Beschleuniger hinausgehen. „Das anomale Fehlen vergleichbarer ultrahochenergetischer Ereignisse in IceCube könnte bereits auf neue Physik bei extrem hohen Energien hindeuten“, so Brdar und Chattopadhyay.
Noch handelt es sich jedoch um eine Hypothese. Einzelne Ereignisse können statistische Ausreißer sein. Erst wenn weitere Neutrinos dieser Energieklasse beobachtet werden, lässt sich beurteilen, ob tatsächlich neue Teilchenphysik dahintersteckt. Genau daran arbeiten internationale Projekte bereits. Neben KM3NeT und IceCube planen Forschende größere Detektoren der nächsten Generation.
Mit jedem neu entdeckten ultrahochenergetischen Neutrino wächst die Chance, dass diese kosmischen Boten eines Tages Hinweise auf bislang unbekannte Teilchen oder Wechselwirkungen liefern.
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