Der letzte Schrei der Materie

Die Geheimschrift des Kosmos

1/3 – Was kosmische Strahlen können

2/3 – Das Icecube Experiment – Was wird am Südpol erforscht?

3/3 – Galaktische Neutrino-Kommunikation – eine verrückte Idee

Wie Neutrinos die Welt verändern

Christian Spierings Forschungsgebiet ist die Astroteilchenphysik, das Grenzgebiet zwischen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie. Seit den 80er Jahren arbeitet er auf dem Gebiet der Neutrinoastronomie. Hier wird erklärt, was Neutrinos und Neutrinoastronomie sind. Mithilfe von Neutrinos möchte Spiering und seine Kollegen herausfinden, wo genau im Universum die höchstenergetischen kosmischen Strahlen erzeugt werden und wie die kosmischen Teilchenbeschleuniger funktionieren. Mit Neutrinoteleskopen suchen sie auch nach Kandidaten für die Dunkle Materie und nach anderen exotischen Teilchen wie zum Beispiel magnetischen Monopolen. Erforscht werden außerdem Phänomene der Teilchenphysik wie etwa Neutrino-Oszillationen.

Am Anfang der Arbeiten der Astroteilchengruppe des DESY in Zeuthen stand das Pionierexperiment auf diesem Gebiet, das Baikal Neutrinoprojekt. Seit den 1990er Jahren liegt das Schwergewicht der Forschungsarbeiten am Südpol, wo im Rahmen einer großen internationalen Kollaboration das Neutrinoteleskop AMANDA betrieben und gegenwärtig das dreißig Mal so große Nachfolgeprojekt IceCube aufgebaut wird.

• Christian Spiering: http://www-zeuthen.desy.de/~csspier/
• DESY-Astroteilchengruppe: http://nuastro-zeuthen.desy.de/
• Neutrinojagd im tiefsten See der Welt (PDF): http://www-zeuthen.desy.de/~csspier/www/buecher/Humboldts-Erben.pdf
• IceCube – Neutrinojagd am Südpol (PDF): http://www-zeuthen.desy.de/~csspier/www/buecher/SdW-2007.pdf
• IceCube Project (engl.): http://icecube.wisc.edu/
• Baikal Neutrino Telescope (engl.): http://baikalweb.jinr.ru/

Neutrinos – unsichtbare Himmelsboten (von Christian Spiering)

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen — die erstaunlichsten und befremdlichsten Vertreter des Teilchenzoos. Ihre bemerkenswerteste Eigenschaft besteht in der geringen Neigung, mit ihrer Umgebung in irgendeine Wechselwirkung zu treten. Aufgrund dieser Eigenschaft können sie riesige Materieschichten ohne einen Zusammenstoß durchdringen. Von den 60 Milliarden Sonnenneutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde etwa, die von der Sonne kommend auf die Erdoberfläche treffen und dann die Erde durchqueren, stoßen im Mittel kaum ein Dutzend mit einem Atom des Erdinnern zusammen.

Inzwischen wissen wir, dass es drei Neutrino-Sorten gibt: Elektron-Neutrino (νe), Myon-Neutrino (νμ) und Tau-Neutrino (ντ ), die den geladenen Schwesterteilchen Elektron, Myon bzw. Tau zugeordnet sind. Neutrinos spüren weder die starke Kraft, die Protonen und Neutronen in Atomkernen zusammenschweißt, noch die elektromagnetische Kraft. Wenn man einmal von der Schwerkraft absieht, unterliegen sie nur der sog. schwachen Kraft, die u.a. für den radioaktiven Beta-Zerfall zuständig ist, und genau deshalb reagieren sie auch so selten. In direkten Messungen der Neutrino-Massen zeigte sich bisher kein Hinweis auf eine Ruhemasse. Allerdings verdichten sich die Hinweise darauf, dass die verschiedenen Neutrinotypen sich ineinander umwandeln können. Solche „Neutrino-Oszillationen“ aber sind nur für massive Neutrinos möglich, deren Massen sich zudem voneinander unterscheiden. Die Experimente legen Massendifferenzen von weit unter einem Zehntel Elektronenvolt nahe.

Was macht das Neutrino so interessant für die Astronomie? Was soll uns ein Teilchen nützen, das nur sporadisch mit irgend etwas in Wechselwirkung tritt? Paradoxerweise ist es gerade die zuletzt erwähnte Eigenschaft, mit der sich das Neutrino als kosmischer Bote empfiehlt. Teilchen, die kaum aufspürbar sind, können nämlich fast ungehindert auch die dicksten Materieschichten durchdringen. Sie erreichen uns von Regionen des Kosmos, aus denen nie ein Lichtstrahl zu uns dringen kann. Sie können uns Kunde vom Innern der Sonne geben, von dort, wo die Kernreaktionen ablaufen, aus denen unser Zentralgestirn seine Energie bezieht. Sie fliegen tausende Lichtjahre durch das kompakte Zentrum unserer Galaxis hindurch. Und sie entweichen sogar aus dem Innern von sogenannten aktiven Galaxien, denjenigen Orten im Universum, an denen es zu den gewaltigsten Energieausbrüchen kommt, die es überhaupt geben mag. Neutrinos sind also ideale kosmische Boten aus Regionen, die uns mittels Licht nicht zugänglich sind.

Goldständer Wissenstipp

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