„Kosmischer Bote“: Mysteriöses „Neutrino mit sehr hoher Energie“ außerhalb unserer Galaxie entdeckt

Eine weit, weit entfernte Galaxie. Das CNRS spricht von einem „Erdbeben“ und einem „neuen Fenster zum Universum“. Ein Neutrino (ein im Universum sehr häufig vorkommendes Teilchen, Anm. d. Red.) mit einer dreißigmal höheren Energie als jedes jemals auf der Erde registrierte Teilchen wurde auf dem Grund des Mittelmeers entdeckt, wie aus einer am Mittwoch, dem 12. Februar, in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie hervorgeht.

Es ist das Elementarteilchen mit der höchsten Energie. Und es sollte dazu beitragen, entscheidende Fortschritte im Verständnis der extremen Phänomene des Universums zu erzielen.

Diese Entdeckung „erschüttert aktuelle astrophysikalische Modelle“, schreibt das CNRS in einer Pressemitteilung.

Obwohl der Ursprung dieses unglaublichen Teilchens noch nicht identifiziert wurde, sind sich die Wissenschaftler sicher, dass es nicht aus unserer Galaxie stammt.

Das Neutrino ist ein im Universum häufig vorkommendes, aber schwer fassbares Elementarteilchen. Es besitzt, wie sein Name schon sagt, keine elektrische Ladung und fast keine Masse: Letztere ist eine Million Mal schwächer als die eines Elektrons. Es ist außerdem das leichteste bekannte massereiche Teilchen. Darüber hinaus interagiert es nur schwach mit Materie.

Neutrinos sind für Wissenschaftler von besonderem Interesse, da sie „besondere kosmische Boten“ sind, erklärt Rosa Coniglione, Forscherin am italienischen Institut für Kernphysik, in einer Pressemitteilung zur Veröffentlichung der Studie.

Die gewaltigsten Ereignisse im Universum – etwa eine Supernova-Explosion, die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder die Aktivität um supermassereiche Schwarze Löcher – erzeugen sogenannte „ultrahochenergetische“ Neutrinos.

Da diese Teilchen kaum mit Materie interagieren, können sie den dichten, turbulenten Bereichen, in denen sie entstanden sind, entkommen und sich dann in einer geraden Linie durch das Universum bewegen. Und sie liefern somit wertvolle Informationen über die astrophysikalischen Phänomene, die ihrem Ursprung zugrunde liegen, die mit klassischeren Methoden nicht zugänglich sind.

„Wenn wir beispielsweise die Hälfte der auf uns zukommenden Neutrinos stoppen wollten, müssten wir eine neun Milliarden Kilometer dicke Bleimauer bauen“, erklärt Sonia El Hedri, Astrophysikerin am CNRS, in einem Video .

Diese „Geisterteilchen“ sind allerdings äußerst schwer zu erkennen. 60 Milliarden Neutrinos durchqueren pro Sekunde jeden Quadratzentimeter der Erde, ohne die geringste Spur zu hinterlassen, gibt das CNRS an.

Um einige davon in der Luft fangen zu können, bedarf es enormer Wassermengen – mindestens ein Kubikkilometer, das entspricht 400.000 olympischen Schwimmbecken. Aus diesem Grund befindet sich im Mittelmeerraum das Cubic Kilometer Neutrino Telescope (KM3NeT).

Das noch im Bau befindliche Objekt erstreckt sich über zwei Standorte: ARCA, das der Hochenergieastronomie gewidmet ist und in einer Tiefe von 3.450 Metern vor der Küste Siziliens (Italien) liegt, und ORCA, das für die Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften des Neutrinos optimiert ist und in einer Tiefe von 2.450 Metern vor der Küste Toulons (Frankreich) liegt.

Mehrere Hundert Meter lange Kabel, die mit Photomultipliern ausgestattet sind, die kleinste Lichtmengen verstärken können, werden in regelmäßigen Abständen im Meeresboden verankert.

„Das Interessante an Wasser ist, dass bei der Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie elektrisch geladene Teilchen entstehen. Und wenn sich diese Teilchen in einem Medium schnell genug bewegen, können sie die Emission von Licht verursachen“, erklärt Sonia El Hedri. Dies wird als Tscherenkow-Effekt bezeichnet.

„Wasser ist aufgrund seiner Transparenz ein besonders ideales Medium, um diesen Effekt nachzuweisen“, so der Astrophysiker weiter.

Am 13. Februar 2023 durchquerte ein Myon, ein schweres Elektron, das von einem Neutrino erzeugt wird, „den gesamten ARCA-Detektor und induzierte Signale in mehr als einem Drittel der aktiven Sensoren“, sagt KM3NeT, eine Kollaboration, der 350 Wissenschaftler aus 21 Ländern angehören.

Das Neutrino hatte bei seiner Entstehung eine Energie von 220 Petaelektronenvolt (PeV) oder 200 Millionen Milliarden Elektronenvolt. Eine kolossale Gestalt, wie man sie noch nie zuvor auf der Erde gesehen hat.

„Das entspricht etwa der Energie eines Tischtennisballs, der aus einer Höhe von einem Meter fällt“, aber enthalten „in einem einzigen Elementarteilchen“, erklärte Aart Heijboer, Professor am Niederländischen Institut für Subatomare Physik (Nikhef) und Mitglied von KM3NeT während einer Pressekonferenz.

Mit der Ausnahme, dass ein Tischtennisball aus Billionen von Molekülen besteht, während dieser Ball aus einem einzigen Elementarteilchen besteht und dieselbe Energiemenge trägt.

Um ein solches Teilchen zu erzeugen, wäre ein Beschleuniger „rund um die Erde in der Entfernung geostationärer Satelliten“ erforderlich, fügte Paschal Coyle, CNRS-Forschungsleiter am Marseiller Zentrum für Teilchenphysik, hinzu.

„Ein schwarzes Loch im Herzen einer Galaxie? Ein Gammastrahlenausbruch? Eine Supernova?“, dessen Ursprung wird an diesem Mittwoch vom CNRS in Frage gestellt.

Bei einem solchen Energieniveau kann der Ursprung des Neutrinos nur kosmisch sein. Die Entfernung des Ereignisses, das es hervorbrachte, „ist unbekannt“, aber „worüber wir ziemlich sicher sind, ist, dass es nicht aus unserer Galaxie kam“, betont Damien Dornic, Forscher am CPPM.

Astrophysiker haben zwölf Blazare identifiziert, extreme Strahlungsquellen, die Teilchen, die von massiven, potenziell kompatiblen Schwarzen Löchern angetrieben werden, unerbittlich beschleunigen.

Es könnte sich zudem um die erste Entdeckung eines „kosmogenen“ Neutrinos handeln, das aus „einer Wechselwirkung zwischen ultraenergetischer kosmischer Strahlung und Photonen aus dem intergalaktischen kosmischen Hintergrund“ resultiert, erklärte Rosa Coniglione.

Dies könne helfen, „die Zusammensetzung dieser kosmischen Strahlung“ und „die Entwicklung des Universums“ zu verstehen.

„Zum Zeitpunkt dieses Ereignisses befand sich unser Neutrino-Warnsystem noch in der Entwicklung“, bemerkte Aart Heijboer. Bis zum Jahresende wird bei einer neuen Entdeckung innerhalb von Sekunden eine Warnung „an alle Teleskope weltweit gesendet, damit sie in diese Richtung“ des Himmels zeigen und nach einer Quelle suchen können.