Neu beobachtetes Neutrino stellt Teilchenphysiker vor Rätsel
Neutrinos sind höchst ungewöhnliche Teilchen. Ihre Masse ist verschwindend klein, sie tragen keine elektrische Ladung und reagieren äusserst selten mit Materie. Jede Sekunde durchqueren Milliarden dieser Teilchen unseren Körper, und wir bemerken nichts davon. Aufgrund dieser seltenen Wechselwirkungen können Neutrinos nahezu unbeeinträchtigt durch den Weltraum reisen und dabei Informationen über hochenergetische kosmologische Ereignisse wie explodierende Sterne oder supermassive Schwarze Löcher transportieren.
Extrem energiereiches Neutrino
Aufgespürt werden Neutrinos beispielsweise mit dem Neutrino-Teleskop KM3NeT. Es ist ein Observatorium, das sich mehrere Kilometer tief auf dem Grund des Mittelmeers befindet. Tausende von optischen Sensoren überwachen dort ein riesiges Wasservolumen auf der Suche nach einem schwachen blauen Lichtblitz, der sogenannten Tscherenkow-Strahlung. Sie entsteht dadurch, dass ein Neutrino in einem lichtdurchlässigen Medium wie Wasser ein geladenes Sekundärteilchen erzeugt, das sich im Medium schneller als Licht bewegt. Aus diesem blauen Lichtblitz rekonstruieren die Sensoren Richtung und Energie des ursprünglichen Teilchens.
KM3NeT registrierte kürzlich ein besonders energiereiches Ereignis: Die Analyse der Daten rekonstruierte ein Neutrino mit der extrem hohen Energie von rund 220 PeV (Petaelektronenvolt). Solche Energien liegen weit über dem, was Teilchenbeschleuniger auf der Erde erzeugen können.
Diskrepanz mit anderem Detektor
Was die Physiker jedoch vor ein Rätsel stellt, ist die Tatsache, dass ein anderes grosses Neutrino-Observatorium – IceCube auf der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis – bisher nie ein solches hochenergetisches Ereignis registrieren konnte, obwohl es seit Jahren kosmische Neutrinos im antarktischen Eis beobachtet. Theoretische Vorhersagen hätten dies jedoch erwarten lassen, da sowohl die Datenerfassungszeit als auch die effektive Fläche von IceCube jene von KM3NeT übertreffen.
Da dies nicht der Fall war, könnte das von KM3NeT registrierte hochenergetische Neutrino möglicherweise auf neue physikalische Phänomene hindeuten – etwa eine neue Art von Neutrinos oder nicht-standardmässige Wechselwirkungen, die im Standardmodell der Physik nicht berücksichtigt sind.
«Sterile» Neutrinos?
Ein Forschungsteam der Oklahoma State University hat diese merkwürdige Diskrepanz näher untersucht und seine Analyse in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. In seiner Studie befasst es sich insbesondere mit der Existenz steriler Neutrinos – einer hypothetischen vierten Form von Neutrinos, die nicht über die üblichen Kräfte im Universum wechselwirken. Die bekannten drei Neutrino-Arten – Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – können während ihrer Bewegung im Raum über einen als «Neutrino-Oszillation» bezeichneten Quanteneffekt ihren Typ wechseln.
«Aktive Neutrinos sind die Neutrinos, die wir bereits kennen, die gelegentlich mit Materie wechselwirken und nachgewiesen werden können. Sterile Neutrinos sind hypothetische Neutrinos, die in erster Linie indirekt durch ihre Vermischung mit den aktiven Neutrinos untersucht werden können», erklärten Vedran Brdar und Dibya S. Chattopadhyay, Mitautoren der Studie, gegenüber Phys.org.
Längerer Weg durch Materie
Das Forschungsteam ging der Frage nach, worin bei diesem Ereignis der wichtigste Unterschied zwischen KM3NeT und IceCube liegt. Es könnte sich um den Weg handeln, den das Neutrino vor der Detektion zurücklegt: Während ein Signal, das in einem möglichen Szenario KM3NeT erreicht, etwa 150 Kilometer Gestein und Meerwasser durchquert, beträgt dieser Weg bei IceCube lediglich rund 14 Kilometer durch antarktisches Eis.
Da Materie Neutrino-Oszillationen beeinflussen kann, konzentrierten sich Brdar und Chattopadhyay schliesslich auf bestimmte Szenarien, bei denen die Umwandlung von sterilen Neutrinos in aktive Neutrinos durch Neutrino-Oszillationen in Gegenwart von Materie im Erdinneren verstärkt wird. «Die von uns vorgeschlagene Idee ist, dass ein überwiegend steriler Neutrinofluss bei KM3NeT viele aktive Neutrinos erzeugen könnte», erklärten sie. «Aufgrund der deutlich längeren Wegstrecke durch die Materie würde dies das erwartete Signal bei KM3NeT im Vergleich zu IceCube verstärken und damit die Anomalie erklären.»
Wenn sich diese Erklärung bestätigen liesse, hätte dies weitreichende Konsequenzen. Ultrahochenergetische Neutrinos könnten Einblicke in physikalische Prozesse liefern, die weit über die Energien heutiger Beschleuniger hinausgehen. «Das anomale Fehlen vergleichbarer ultrahochenergetischer Ereignisse in IceCube könnte bereits auf neue Physik bei extrem hohen Energien hindeuten», so Brdar und Chattopadhyay.
Noch handelt es sich jedoch um eine Hypothese. Einzelne Ereignisse können statistische Ausreisser sein. Erst wenn weitere Neutrinos dieser Energieklasse beobachtet werden, lässt sich beurteilen, ob tatsächlich neue Teilchenphysik dahintersteckt. (dhr)
