Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IceCube-Experiment haben große Datenmengen aus vielen Jahren Beobachtungszeit ausgewertet und dabei eine Intensitätsspitze im Energiespektrum der hochenergetischen Neutrinos identifiziert, die aus den Tiefen des Alls auf der Erde eintreffen. Das Ergebnis grenzt viel genauer ein, wo und wie diese schwer fassbaren Teilchen erzeugt werden. Das wiederum hilft den Forschenden, mehr über jene Regionen im Weltraum zu erfahren, aus denen hochenergetische Neutrinos stammen. Das Neutrinoobservatorium IceCube ist ein riesiger Teilchendetektor, der in einen Kubikkilometer antarktisches Eis eingebettet ist. Forschende nutzen dieses Eis zum Nachweis von Neutrinos – nahezu masselose Teilchen, die durch den Weltraum fliegen und nur selten mit Materie wechselwirken, aber trotzdem wertvolle Informationen über sonst verborgene extreme kosmische Umgebungen im Gepäck haben.

„Zum ersten Mal sehen wir tatsächlich eine Struktur im Energiespektrum“, erklärt DESY-Wissenschaftler Markus Ackermann, der den DESY-Teil der Analyse geleitet hat. „Wir sehen, wie die Intensität der Neutrinos bis zu einem Punkt bei einer Energie von etwa 30 Tera-Elektronenvolt ansteigt und dann wieder abnimmt. Das bedeutet, dass wir die Energie gefunden haben, bei der die Neutrinoemission im Universum am stärksten ist.“ Das Energiespektrum verrät dem internationalen IceCube-Team, wie viele Neutrinos welcher Energie sie sehen. Diese Information erlaubt Rückschlüsse darauf, unter welchen Bedingungen sie erzeugt werden, aus welchen physikalischen Prozessen sie hervorgegangen sind und wie viel Energie insgesamt in Form von Neutrinos abgestrahlt wird.

Zwei unabhängige Teams innerhalb der IceCube-Kollaboration – eines mit Wissenschaftlern von DESY und der RWTH Aachen, eines von der University of Wisconsin-Madison – haben sich Daten des IceCube-Neutrinoobservatoriums aus rund zehn Jahren Beobachtungszeit vorgenommen und analysiert. Beide Teams kombinierten einen Datensatz, der ausschließlich aus Myon-Neutrinos bestand, mit einem Datensatz, der Neutrinos aller Arten enthielt. Sie haben dabei unterschiedliche Kriterien für die Auswahl der Neutrinos verwendet. Zusammengenommen haben sie so die Präzision der Messung erheblich gesteigert. Anschließend nutzten die Teams ihre jeweiligen Datensätze, um das kombinierte Spektrum der gesamten Population extragalaktischer Neutrinoquellen zu rekonstruieren, und fanden übereinstimmend eine ausgeprägte Spitze in der Neutrinointensität bei rund 30 Tera-Elektronenvolt anstatt eines einfachen Abfallens der Intensität mit steigender Energie.

Das Ergebnis, veröffentlicht in Form von zwei Publikationen in Physical Review Letters und Physical Review D, ist das erste in einer Reihe von Analysen, die voraussichtlich zu Referenzwerkzeugen für die Diagnostik der Teilchenbeschleunigung in extremen kosmischen Umgebungen werden – etwa in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher oder in Jets, die Teilchen ins All schleudern. Hochenergetische Neutrinos, die IceCube übrigens 2013 zum ersten Mal beobachtet hat, sind unsere einzige direkte Möglichkeit diese extremen Umgebungen bei Energien von mehreren Tera-Elektronenvolt (TeV) und mehr zu beobachten, weil energetische Strahlung solcher Energien, sogenannte Gammastrahlung, von dort nicht bis zu uns durchdringt. 

Hochenergetische Neutrinos entstehen, wenn Teilchen, die durch die extremen Kräfte in solchen kosmischen Umgebungen erzeugt und beschleunigt werden, auf etwas anderes treffen – etwa ein Gasatom oder ein Photon. Die Form des Energiespektrums und die Lage der Intensitätsspitze ermöglichen es den Forschenden, viele theoretische Quellmodelle auszuschließen. So können sie sich auf diejenigen konzentrieren, die die nötigen Beschleunigungsmechanismen und Umgebungsbedingungen liefern, um das beobachtete Spektrum mit einer maximalen Intensität bei 30 TeV zu erzeugen. „Die Daten ermöglichen es uns, unsere Modelle zur Erzeugung dieser Neutrinos zu verbessern und die Produktionsprozesse und Quellklassen deutlich besser einzugrenzen als bisher“, sagt Ackermann. „Jetzt, da wir die Spitze der Intensität sehen, wird vieles wesentlich konkreter – wie die Neutrinoquellen funktionieren, welche Prozesse die Neutrinos erzeugen und wie Teilchen in diesen Quellen beschleunigt werden.“

„Die Ergebnisse sind ein wichtiger erster Schritt. In Zukunft wollen wir Spektral- und Kompositionsmessungen kombinieren, um Einblicke in die Magnetfelder und andere Eigenschaften der kosmischen Beschleuniger zu gewinnen", sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor für Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin. „Dieses Ergebnis basiert auf Daten, die IceCube über einen Zeitraum von zehn Jahren gesammelt hat. Um die Funktionsweise dieser Beschleuniger wirklich aufzuklären, brauchen wir allerdings IceCube-Gen2."

Das geplante Observatorium IceCube-Gen2, das von der deutschen Bundesregierung als nationales Forschungsschwerpunktprojekt eingestuft wurde, soll den bestehenden IceCube-Detektor am Südpol deutlich erweitern und ein einzigartiges Neutrino-Observatorium mit einer weltweit führenden Empfindlichkeit über zehn Größenordnungen im Energiebereich schaffen.

„DESY hat die hochenergetische Neutrinoastronomie mitbegründet und wesentlich zu IceCube beigetragen", sagt DESY-Direktor für Astroteilchenphysik Christian Stegmann. „Diese neuen Ergebnisse, die unser Verständnis des hochenergetischen Universums erheblich vertiefen, verfolgen wir daher mit besonders großer Spannung."

 

Originalveröffentlichungen:

R. Abbasi 16, M. Ackermann 63, J. Adams17, S. K. Agarwalla 39,†, J. A. Aguilar 10, M. Ahlers 21, J. M. Alameddine 22, S. Ali 35, N. M. Amin43 et al. (IceCube Collaboration*), Evidence for a Spectral Break or Curvature in the Spectrum of Astrophysical Neutrinos from 5 TeV to 10 PeV. Phys. Rev. Lett. 136, 121002 

DOI: 10.1103/2gh9-d4q7

R. Abbasi 16, M. Ackermann 63, J. Adams17, S. K. Agarwalla 39,*, J. A. Aguilar 10, M. Ahlers 21, J. M. Alameddine 22, S. Ali 35, N. M. Amin43 et al. (IceCube Collaboration¶), Improved measurements of the TeV-PeV extragalactic neutrino spectrum from joint analyses of IceCube tracks and cascades. Phys. Rev. D 113, 062002

DOI: 10.1103/4n6v-r7n4

 

Über IceCube

Das IceCube-Neutrinoobservatorium an der Amundsen-Scott-Südpolstation besteht aus mehr als 5000 Lichtsensoren. Diese fangen das schwache Licht ein, das von geladenen Sekundärteilchen erzeugt wird, die bei Neutrinowechselwirkungen im Eis entstehen. Die herausragende Qualität des antarktischen Eises macht es zu einem idealen Medium für den Nachweis dieses Lichts. Die IceCube-Kollaboration mit über 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus aller Welt wertet diese Lichtmuster aus, um die Energie und die Richtung des Neutrinos zu rekonstruieren und so seinen Ursprung zu bestimmen. Bislang hat IceCube astrophysikalische Neutrinos entdeckt, zwei Galaxien als Neutrinoquellen identifiziert und Neutrinos aus unserer Milchstraße beobachtet.

IceCube wird derzeit durch ein Upgrade erweitert. Hierfür werden sechs zusätzliche, enger und dichter bestückten Kabel – sogenannten Strings – mit Lichtsensoren im zentralen unteren Bereich der 86 bestehenden Strings eingebaut, die den bereits im Eis eingebetteten Sensoren mehr als 600 neue und verbesserte Lichtsensoren sowie Kalibrierungsinstrumente hinzufügen.

Sobald das Upgrade abgeschlossen ist, werden die Forschenden die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung besser bestimmen und Neutrinos von galaktischen Supernovae messen können. Außerdem erwarten sie präzisere Messungen grundlegender Neutrinoeigenschaften wie der Neutrinooszillationen – eines Phänomens, bei dem sich die verschiedenen Neutrino-Arten, Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, ineinander umwandeln können.