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Um Neutrinos im Weltraum zu fangen, stellen Astronomen Fallen in grönländisches Eis | جل Wissenschaft

Die Flaggen zeigen die Standorte von Antennen an, die Funkimpulse von Neutrino-Kollisionen im Eis erkennen sollen.

Christoph Welling / RNO-G-Kollaboration / DESY

Geschrieben von Daniel Cleary

Über der Höhe des grönländischen Eisschildes bohren Forscher diese Woche Brunnen. Aber sie sind keine Geowissenschaftler, die nach Beweisen für das vergangene Klima suchen. Sie sind Teilchen-Astrophysiker auf der Suche nach den kosmischen Beschleunigern, die für die energiereichsten Teilchen im Universum verantwortlich sind. Indem sie Hunderte von Radioantennen auf der Eisoberfläche und Dutzende Meter darunter platzieren, hoffen sie, schwer fassbare Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind, mit immer höheren Energien einzufangen. “Es ist eine Entdeckungsmaschine, die bei diesen Energien nach den ersten Neutrinos sucht”, sagt Cosmin DeCono von der University of Chicago von der Summit Station in Grönland.

Detektoren anderswo auf der Erde registrieren manchmal die Ankunft von ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung (UHE), Atomkernen, die mit so hohen Geschwindigkeiten in die Atmosphäre stürzen, dass ein einzelnes Teilchen so viel Energie packen kann wie ein gut verletzter Tennisball. Die Forscher wollen ihre Quellen genau lokalisieren, aber weil die Kerne geladen sind, verbiegen Magnetfelder im Weltraum ihre Bahnen und verschleiern ihre Herkunft.

Hier kommen Neutrinos ins Spiel. Theoretiker glauben, dass, wenn kosmische UHE-Strahlung von ihren Quellen ausgeht, sie sogenannte kosmische Neutrinos hervorbringen, wenn sie mit Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund kollidieren, der das Universum durchdringt. Da sie ungeladen sind, fliegen Neutrinos wie ein Pfeil direkt zur Erde. Es ist schwer, sie zu fangen. Neutrinos sind berüchtigt dafür, dass sie nur ungern mit Materie interagieren, so dass jede Sekunde Billionen von Dollar ohne Vorankündigung durch Sie hindurchfließen. Riesige Materialmengen müssen überwacht werden, um die Handvoll Neutrinos einzufangen, die mit Atomen kollidieren.

Der größte solcher Detektor ist das IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis, das Lichtblitze von Neutrinoskollisionen über Kubikkilometer subantarktischen Eises überwacht. Seit 2010 hat IceCube viele Neutrinos im Weltraum entdeckt, aber nur eine Handvoll – mit Aliasnamen wie Burt, Ernie und Big Bird – haben Energien nahe 10 Betaelektronenvolt (PeV), der Energie, die von kosmischen Neutrinos erwartet wird, sagt Olga Büttner, ein Eis cube Teammitglied an der Universität Uppsala. “Um viele energiereichere Neutrinos innerhalb einer angemessenen Zeit zu entdecken, müssen wir viel größere Eismengen überwachen.”

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, ein anderes Signal zu nutzen, das durch den Neutrinoeffekt erzeugt wird: einen Puls von Radiowellen. Da sich die Wellen bis zu einem Kilometer im Eis ausbreiten, kann ein weit auseinander liegendes Set von Funkantennen in der Nähe der Oberfläche zu geringeren Kosten ein viel größeres Eisvolumen als der IceCube überwachen, mit langen Ketten von Photonendetektoren tief im Eis . Das Greenland Radio Neutrino Observatory (RNO-G), geleitet von der University of Chicago, der Freien Universität Brüssel und dem Deutschen Beschleunigungszentrum DESY, ist die erste gemeinsame Anstrengung, dieses Konzept zu testen. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2023 wird es über 35 Stationen mit jeweils zwanzig Antennen verfügen und eine Gesamtfläche von 40 Quadratkilometern abdecken. Das Team installierte letzte Woche die erste Station in der Nähe der von den USA betriebenen Summit-Station an der Spitze des grönländischen Eisschildes und zog zur zweiten Station. Die Umgebung ist abgelegen und unversöhnlich. “Wenn Sie etwas nicht mitbringen, können Sie es nicht schnell aufladen”, sagt Decono. “Du musst tun, was du hast.”

Es wird angenommen, dass die kosmischen Neutrinos, die das Team einfangen will, von gewaltigen kosmischen Motoren stammen. Die wahrscheinlichsten Energiequellen sind supermassereiche Schwarze Löcher, die Material aus den umgebenden Galaxien ausschütten. IceCube hat Zwei Neutrinos wurden im Weltraum verfolgt Mit niedrigeren Energien von Burt, Ernie und Big Bird bis hin zu Galaxien mit massiven Schwarzen Löchern – ein Zeichen dafür, dass sie auf dem richtigen Weg sind. Aber es werden mehr Neutrinos mit höheren Energien benötigt, um die Verbindung zu bestätigen.

Neben der Identifizierung der Quellen der kosmischen UHE-Strahlung hoffen die Forscher, dass Neutrinos zeigen, woraus diese Teilchen bestehen. Es gibt zwei Hauptinstrumente, die kosmische UHE-Strahlen detektieren, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Daten des Telescope Array in Utah zeigen, dass es sich ausschließlich um Protonen handelt, während das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien darauf hindeutet, dass sich schwerere Kerne unter die Protonen mischen. Das Energiespektrum der Neutrinos, die diese Teilchen erzeugen, sollte je nach Zusammensetzung variieren – was wiederum Hinweise darauf geben kann, wie und wo sie beschleunigt werden.

RNO-G könnte genug Neutrinos aufnehmen, um diese Energieunterschiede zu erkennen, sagt Anna Nellis von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, eine der Projektleiterinnen, die schätzt, dass RNO-G bis zu drei kosmische Neutrinos pro Jahr aufnehmen könnte. Aber, sagt sie, “wenn wir Pech haben”, könnten die Funde so selten sein, dass es Zehntausende von Jahren dauern könnte, nur ein Ziel zu erreichen.

Auch wenn sich das RNO-G als Wartespiel erweist, ist es auch ein Test einer deutlich größeren Funkanlage mit einer Fläche von 500 Quadratkilometern, die im Rahmen des IceCube-Upgrades geplant ist. Wenn kosmische Neutrinos existieren, wird der IceCube der zweiten Generation sie finden und die Frage lösen, was sie sind. “Sie können mit einer Geschwindigkeit von 10 pro Stunde mit Neutrinos geflutet werden”, sagt Nellis. “Aber wir müssen Glück haben.”

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