IceCube: Detektion eines hochenergetischen Teilchens beweist eine 60 Jahre alte Theorie

Zum ersten Mal wurde die Resonanz bei ultrahohen Energien beobachtet, die der spätere Nobelpreisträger Sheldon Glashow 1960 vorhergesagt hatte. Ein Teilchenschauer im IceCube Neutrino Detektor konnte als lange gesuchte Glashow Resonanz, eine Wechselwirkung eines kosmischen Elektron-Antineutrinos mit einem atomaren Elektron, identifiziert werden. Das Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Das Glashow-Resonanz Ereignis mit einer Energie von 6.3 PeV, welches vom IceCube Neutrino Observatorium gemessen wurde

Das Glashow-Resonanz Ereignis mit einer Energie von 6.3 PeV, welches vom IceCube Neutrino Observatorium gemessen wurde (Bild: IceCube Collaboration)

Am 6. Dezember 2016 raste ein Elektron-Antineutrino mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem Weltraum auf die Erde. Tief im Eis des Südpols traf es mit einer Energie von 6,3 Petaelektronvolt (PeV) ein Elektron und erzeugte ein Teilchen, das wiederum schnell in einen Schauer aus Sekundärteilchen zerfiel. Die Interaktion wurde vom IceCube Neutrino Teleskop beobachtet, das tief in das Eis des Südpols vergraben ist.

Die Messung bestätigt das Standard Modell der Teilchenphysik

Es zeigte sich, dass IceCube erstmals eine Glashow-Resonanz gesehen hatte, eine Beobachtung, die erneut das Standardmodell der Teilchenphysik bestätigt. Sheldon Lee Glashow hatte diese Resonanz erstmals 1960 vorgeschlagen, als er Postdoktorand am heutigen Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, Dänemark, war. Dort schrieb er eine Arbeit, in der er vorhersagte, dass eine Interaktion eines Antineutrino mit einem Elektron in einem als Resonanz bekannten Prozess ein noch unentdecktes Teilchen erzeugen könnte - sofern das Antineutrino genau die richtige Energie hätte.

Energie der Glashow-Resonanz deutlich höher als erwartet

Als das vorgeschlagene Teilchen, das W- -Boson, 1983 endlich entdeckt wurde, stellte sich heraus, dass es viel schwerer war als das, was Glashow und seine Kollegen 1960 erwartet hatten. Die Glashow-Resonanz würde ein Neutrino mit einer Energie von 6,3 PeV erfordern, was 1000-mal mehr ist, als der Large Hadron Collider am CERN erreichen kann. Auch auf absehbare Zeit wird kein Teilchenbeschleuniger auf der Erde in der Lage sein, Neutrinos so hoher Energien zu erzeugen.

Supermassive Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien und andere extreme kosmische Ereignisse können Teilchen jedoch auf solche ultrahohen Energien bringen. Ein derartiges Phänomen war wahrscheinlich auch für das hochenergetische Antineutrino verantwortlich, das IceCube im Dezember 2016 beobachtet hatte.

Bisher gab es nur drei IceCube-Ereignisse deren Signal stärker al 5 PeV war

Seit IceCube im Mai 2011 seinen vollen Betrieb aufgenommen hat, hat das Teleskop Hunderte von hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinos entdeckt und 2018 erstmals einen Blazar als Quelle kosmischer Neutrinos identifiziert. Das Glashow-Ereignis ist jedoch aufgrund seiner außergewöhnlich hohen Energie besonders bemerkenswert: Es ist erst das dritte von IceCube beobachtete Signal mit einer Energie von mehr als 5 PeV.

Neutrinos extraterrestrischen Ursprungs

„Dieses Ergebnis zeigt die Möglichkeiten der Neutrino-Astronomie, welche in der zukünftigen Multimessenger-Astroteilchenphysik eine wichtige Rolle spielen wird, sowie die Leistungsfähigkeit von IceCube“, sagt ORIGINS Mitglied Christian Haack, der während seiner Arbeit an dieser Analyse Doktorand an der RWTH Aachen war und inzwischen als Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Elisa Resconi an der Technischen Universität München forscht. "Wir können einzelne Neutrino-Ereignisse erkennen, die klar außerirdischen Ursprungs sind."

Erste Messung einer Antineutrino-Komponente im astrophysikalischen Neutrino-Fluss

Eine Glashow-Resonanz ermöglicht auch die eindeutige Identifizierung von Antineutrinos. Frühere IceCube-Messungen konnten nicht zwischen Neutrinos und Antineutrinos unterscheiden; nun wurde auch erstmals eine Antineutrino-Komponente im astrophysikalischen Neutrino-Fluss gemessen.

Zwar lassen sich bestimmte Charakteristika der astrophysikalischen Neutrino-Quellen nicht aus der Beobachtung ihrer Neutrinos ableiten, dazu gehören etwa die physikalische Größe des Beschleunigers und die Magnetfeldstärke in seiner Umgebung. Eine Bestimmung des Verhältnisses von Neutrinos zu Antineutrinos erlaubt jedoch Rückschlüsse auf einige dieser Eigenschaften.

Um die Entdeckung zu bestätigen und das Neutrino-Antineutrino-Verhältnis zu messen, wollen die IceCube Wissenschaftler mehr Glashow-Resonanzen sehen. Eine Erweiterung des IceCube-Detektors, genannt IceCube-Gen2, würde es den Physikern ermöglichen, solche Messungen mit statistischer Signifikanz durchzuführen. In den nächsten Jahren wird als erster Schritt in diese Richtung ein Upgrade in den Detektor implementiert.

Mehr Glashow-Resonanz Ereignisse notwendig

Auch Glashow, jetzt emeritierter Professor für Physik an der Boston University, betont die Notwendigkeit, mehr Glashow-Resonanzen zu messen. "Um absolut sicher zu sein, sollten wir ein weiteres Ereignis mit der gleichen Energie beobachten, wie das, was wir gesehen haben", sagt er. "Bisher gibt es eine Resonanz. Eines Tages werden es mehr sein."

Das IceCube Neutrino Observatory wird hauptsächlich von der National Science Foundation, USA, finanziert und hat seinen Hauptsitz im Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, einem Forschungszentrum der University of Wisconsin-Madison, USA. Die Forschungsanstrengungen von IceCube, einschließlich wichtiger Beiträge zum Detektorbetrieb, werden von Institutionen in Australien, Belgien, Kanada, Dänemark, Deutschland, Japan, Neuseeland, der Republik Korea, Schweden, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und den USA finanziert. Der Bau von IceCube wurde auch mit bedeutenden Beiträgen aus Belgien, Deutschland und Schweden sowie der University of Wisconsin-Madison, USA, finanziert.


Originalpublikation:

R. Abbasi et al. (The IceCube Collaboration): ‘Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube’, Nature, 11. März 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03256-1


Kontakt

Technische Universität München
Dr. Christian Haack
Physik Department
Professur für Experimentalphysik mit kosmischen Teilchen/LS Prof. Resconi
James-Franck-Str. 1, D-85748 Garching
E-Mail: christian.haack(at)tum.de