Wissenschaftler haben einen großen Detektor tief im antarktischen Eis errichtet, um nach hochenergetischen Neutrinos zu suchen, auch bekannt als „kosmische Geister“.
An einem abgelegenen und eisigen Ort haben Wissenschaftler einen Detektor platziert, um nach einem der flüchtigsten Teilchen im Universum zu suchen. Dieser Detektor, namens IceCube, scheint ein gewöhnliches Labor an der Oberfläche zu sein.
Jedoch zeigt das untenstehende Bild nur einen kleinen Teil des riesigen Observatoriums… der eigentliche Detektor erstreckt sich 2,5 km ins Eis hinein!
IceCube-Observatorium (Foto: Jeff Warneck/Shutterstock)
Also nach welchem merkwürdigen Teilchen suchen Wissenschaftler, das nur fernab der Zivilisation und tief im Eis gefunden werden kann? Und warum befindet sich dieser Detektor an einem so extremen Ort, im Gegensatz zu anderen Detektoren?
Die Antwort liegt darin, das Teilchen zu verstehen, nach dem dieses Laboratorium sucht – Neutrinos – konkret hochenergetische Neutrinos, liebevoll als kosmische Geister bezeichnet.
Was sind also Neutrinos?
Um Neutrinos besser zu verstehen, müssen wir uns zunächst mit ihrer Familie vertraut machen. Wenn man in die Welt dieser Teilchen eintaucht, wird man zwei Arten vorfinden – eine, die Materie bildet, und eine, die Kräfte ermöglicht, oder was wir als Wechselwirkungen kennen. Unser Neutrino gehört zur Kategorie der Teilchen, die Materie bilden.
Wenn man jedoch die Mitglieder der Materiefamilie erforscht, wird man zwei Untergruppen bemerken – eine, die an starke Wechselwirkungen teilnimmt (d.h. die Kraft, die einen Proton zusammenhält), bekannt als Quarks, und eine andere, die nicht an starke Wechselwirkungen beteiligt ist, genannt Leptonen.
Dieses Mal gehört ein Neutrino zur Kategorie der Leptonen, was bedeutet, dass es nicht an starken Wechselwirkungen teilnimmt.
Diese Teilchenfamilie besitzt eine eigene faszinierende Eigenschaft. In ihrem Fall ist es ihre Vorliebe für die Zahl Drei. Es gibt drei Generationen von Teilchen, die identische Eigenschaften teilen, aber progressiv an Masse zunehmen.
Zum Beispiel besteht die Elektronenfamilie aus dem Elektron selbst (das leichteste der drei), Myonen (schwerer als ein Elektron) und Tau-Teilchen (das schwerste der drei).
Für jede der fundamentalen Kräfte haben wir mindestens ein Teilchen, das als Träger dient, abgesehen von der Gravitationskraft. Trotz Spekulationen über ein ‚Graviton‘ als Träger bleibt die Gravitationskraft außerhalb des Bereichs des Standardmodells.
Dies gilt für jedes Teilchen, einschließlich Neutrinos. Jetzt haben wir drei Arten von Neutrinos: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos (in aufsteigender Reihenfolge der Masse).
Angesichts des Standorts in der Antarktis ist es vernünftig anzunehmen, dass Neutrinos besonders bedeutende Teilchen sind, um eine solche besondere Aufmerksamkeit zu verdienen. Ein Grund dafür ist, dass sie in den allerersten Momenten der Erschaffung des Universums entstanden sind. Darüber hinaus existieren sie auch heute noch in großer Zahl. Im Wesentlichen sind sie also eines der ältesten Teilchen, die Einblicke in die Vergangenheit bieten können.
Aber was macht sie genau so rätselhaft, dass sie als kosmische Geister bezeichnet werden und in den kältesten Temperaturen der Erde gejagt werden müssen?
Warum werden Neutrinos als kosmische Geister bezeichnet?
Ein Grund für diesen Namen hängt mit dem Ursprung der Neutrinos zusammen. Diese Teilchen werden im gesamten Universum gefunden und stammen aus verschiedenen Quellen. Sie werden während des Energiebildungsprozesses von der Sonne und anderen Sternen produziert. Neutrinos werden auch während des Todes von Sternen erzeugt und reichen bis zum Urknall zurück.
Darüber hinaus haben Neutrinos je nach ihrer Herkunft unterschiedliche Energien. Die ultra-hochenergetischen Neutrinos sind, wie der Name schon sagt, derzeit ein beliebtes Forschungsthema unter Teilchenforschern.
Um zu verstehen, wie reichlich Neutrinos im Universum vorhanden sind, betrachten Sie die Menge an Energie, die Sterne produzieren. Da Neutrinos durch denselben Prozess erzeugt werden, ist die Anzahl der Neutrinos im Kosmos unvorstellbar. Dabei ist noch nicht einmal die größte Quelle von Neutrinos berücksichtigt, nämlich der Urknall. Einfach ausgedrückt, es ist so, als ob wir von Neutrinos umgeben sind. Das ist ein weiterer Grund für ihren mysteriösen Namen.
Supernovae erzeugen Neutrinos mit sehr hoher Energie (Foto: Pixabay)
Neutrinos interagieren nicht mit elektrischen oder magnetischen Feldern. Sie durchqueren Elektronen in einem Atom, ohne von den starken Magnetfeldern kosmischer Objekte beeinflusst zu werden. Mit anderen Worten, es gibt nur sehr wenige Dinge, unabhängig von ihrer Größe, mit denen Neutrinos tatsächlich interagieren. Von den Millionen von Neutrinos, die die Erde bombardieren, interagiert nur ein kleiner Bruchteil mit Materie, während der Rest wie Geister durch unseren Planeten hindurchgeht. Daher bezeichnen wir sie als „kosmische Geister“.
Diese kosmischen Geister sind nicht nur wichtig, weil sie reichlich vorhanden sind, sondern auch, weil sie Einblicke in die Prozesse innerhalb kosmischer Körper aufgrund ihrer unterschiedlichen Energien bieten. Der wichtigste Grund ist jedoch, dass diese Teilchen aus Teilen des Universums stammen, die wir nicht sehen können. Sie dienen als Boten von der unsichtbaren Seite des Universums…
Wie erkennt IceCube sie?
Ähnlich wie Geister können kosmische Neutrinos nicht direkt erkannt werden. Die meiste Zeit durchqueren sie Materie, ohne mit den meisten Teilchen zu interagieren. In einem Medium wie Eis können wir jedoch Cherenkov-Licht beobachten, das ihre Anwesenheit und Wechselwirkung anzeigt.
Dieses Licht wird beobachtet, wenn Partikel, die aus Neutrino-Wechselwirkungen entstehen, schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen. Es mag seltsam erscheinen, aber dieses Phänomen tritt in Medien auf, in denen die Lichtgeschwindigkeit geringfügig reduziert ist und es anderen energiereichen Teilchen ermöglicht, sie zu überschreiten. Wissenschaftler detektieren und untersuchen dieses eigenartige Licht, um ein besseres Verständnis von Neutrinos zu gewinnen.
Cherenkov-Licht erscheint als blauer Lichtkegel und kann in einem Kernreaktor beobachtet werden, in dem Neutrinos reichlich erzeugt werden (Foto: Parilov/Shutterstock)
War es wirklich notwendig, eine unterirdische Detektionsstation zu bauen? Hätte man nicht ein anderes Medium wie Wasser verwenden können? Nun, die Antwort ist ja! Es gibt Detektoren in Tiefsee-Stationen und großen Tanks, die mit ultrareinem Wasser tief unter der Erde begraben sind. Die Lage in der Antarktis bietet jedoch eine Umgebung frei von Signalen, die das empfindliche Detektionssystem stören oder ablenken könnten.
Das Vorhandensein von Eis, ein hervorragendes Medium zur Detektion, ist das Sahnehäubchen auf dem Kuchen, das diesen Ort zu dem idealsten Ort auf der Erde macht, um diese himmlischen Erscheinungen einzufangen. Anhand des Erfolgs des Observatoriums scheint es, dass die Strategie außergewöhnlich gut funktioniert.
Es gibt zahlreiche andere Teilchen in derselben Kategorie wie Neutrinos, die sowohl für gewöhnliche Menschen verwirrend als auch verblüffend sind. Jedes dieser Teilchen hat seine eigene einzigartige Geschichte, die uns einen Einblick in die Faktoren gibt, die unser Universum so formen, wie es heute ist. Darüber hinaus gibt es auch bestimmte Teilchen, die wir noch nicht beobachtet haben, von deren Existenz wir jedoch überzeugt sind! Es versteht sich von selbst, dass es in der Welt der Teilchenphysik niemals langweilig wird!