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Dienstag, 05.12.2017

Blaue Blitze im Eispanzer

Kann unsere Erdkugel energiereiche Neutrinos stoppen? Lange war das unklar – nun haben Forscher Belege gefunden.

Von Stefan Parsch

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Das Bild zeigt die optische Darstellung des Nachweises eines der energiereichsten Neutrinos auf einer Ansicht des IceCube-Observatoriums. 86 Ketten mit je 60 basketballgroßen Detektoren wurden dafür tief im ewigen Eis des Südpols versenkt.
Das  Bild zeigt die optische Darstellung des Nachweises eines der energiereichsten Neutrinos auf einer Ansicht des IceCube-Observatoriums. 86 Ketten mit je 60 basketballgroßen Detektoren wurden dafür tief im ewigen Eis des Südpols versenkt.

© NSF/B.Gudbjartsson

  • Das Bild zeigt die optische Darstellung des Nachweises eines der energiereichsten Neutrinos auf einer Ansicht des IceCube-Observatoriums. 86 Ketten mit je 60 basketballgroßen Detektoren wurden dafür tief im ewigen Eis des Südpols versenkt.
    Das  Bild zeigt die optische Darstellung des Nachweises eines der energiereichsten Neutrinos auf einer Ansicht des IceCube-Observatoriums. 86 Ketten mit je 60 basketballgroßen Detektoren wurden dafür tief im ewigen Eis des Südpols versenkt.
  • Die Kabelstränge und Detektoren wurden in mit heißem Wasser gebohrten Löchern versenkt, die anschließend wieder zufroren.
    Die Kabelstränge und Detektoren wurden in mit heißem Wasser gebohrten Löchern versenkt, die anschließend wieder zufroren.

Erstmals ist Physikern der experimentelle Nachweis gelungen, dass Neutrinos nicht alles durchdringen können. Die extrem leichten Elementarteilchen, von denen jede Sekunde Billionen durch einen menschlichen Körper gehen und die deshalb auch schon mal als „Geisterteilchen“ bezeichnet werden, lassen sich durch die Erde mit ihrem dichten Kern stoppen. Zu diesem Ergebnis kommen Wissenschaftler, die am Südpol das „IceCube Neutrino“-Observatorium betreiben. Die Studie des Teams um Francis Halzen von der University of Wisconsin in Madison (USA) ist in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Bisher hatten selbst die größten Teilchenbeschleuniger nur relativ energiearme Neutrinos für Forschungszwecke erzeugen können. „Obwohl wir erwartet hatten, dass energiereichere Neutrinos anders sind, konnten keine früheren Experimente überzeugend demonstrieren, dass energiereichere Neutrinos durch irgendetwas gestoppt werden könnten“, erklärt Ko-Autor Doug Cowen von der Pennsylvania State University in University Park. Erst die jetzt ausgewerteten IceCube-Messungen von Mai 2010 bis Mai 2011 zeigten einen klaren Dämpfungseffekt durch die Erde.

Die IceCube Collaboration ist ein Zusammenschluss von mehr als 300 Wissenschaftlern aus 48 Institutionen in zwölf Ländern, auch aus Deutschland. In der Nähe des geografischen Südpols wurden 86 Ketten mit jeweils 60 basketballgroßen Detektoren tief im ewigen Eis versenkt, sodass das gesamte Neutrino-Observatorium etwa einen Kubikkilometer misst. Weil die energiereichen Neutrinos elektrisch neutral sind, können die Detektoren sie nicht direkt aufspüren. Stattdessen registrieren die Geräte schwache blaue Lichtblitze, die Tscherenkow-Strahlung, wenn die Neutrinos auf Kernteilchen im Eis stoßen.

Die dreidimensionale Anordnung der Detektoren erlaubt es den Forschern, die Richtung und die Energie des Neutrinos, das den Lichtblitz hervorgerufen hat, zu bestimmen. Sie entfernten alle Messdaten, die von Neutrinos aus Richtung der Erdoberfläche stammten und werteten „nur“ die 10 800 Ereignisse aus, bei denen die Neutrinos durch die Erde gekommen sein müssen.

Auch andere Wissenschaftler könnten von den Neutrinomessungen am Südpol profitieren: Geophysiker. Sie sollen nun in das Projekt eingebunden werden. Die Verteilung der gemessenen Neutrinos könnte Auskünfte über das Innere der Erde geben, je nachdem, welchen Weg sie durch die Erde genommen haben. „Wir können nicht nur die Dichte des Kerns messen, sondern auch die Zusammensetzung, genau das Material, aus dem der Kern besteht“, betont Halzen. Bisher haben Wissenschaftler Erkenntnisse über Erdkern und Erdmantel vor allem durch die Messung von Erdbebenwellen erworben.

Für das geophysikalische Vorhaben benötigen die Forscher jedoch erheblich mehr Daten, als in der aktuellen Studie verwendet. Geplant ist bereits ein Neutrino-Observatorium, das zehnmal so groß wie IceCube werden soll. Einstweilen haben die beteiligten Physiker aber noch genug damit zu tun, die Daten aus dem aktuellen Projekt auszuwerten. (dpa)

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