Jede Sekunde werden wir von Billionen “Geisterteilchen” durchdrungen, sogenannten Neutrinos. Obwohl Wissenschaftlern diese Tatsache bekannt ist, wissen sie nicht, welche Rolle Neutrinos im Universum spielen, weil sie extrem schwer zu messen sind.
Neue Messungen von Neutrinooszillationen, durchgeführt mit dem IceCube Neutrino Observatory am Südpol, haben Licht auf ausstehende Fragen betreffend ihrer grundlegenden Eigenschaften geworfen. Diese neuen Messungen von Neutrinos, wie sie sich während ihrer Reise von einem Typ in einen anderen verwandeln, wurden auf dem Treffen der American Physical Society in Washington präsentiert. Sie könnten helfen, wichtige Lücken im Standardmodell zu schließen – das ist die Theorie, die das Verhalten von Elementarteilchen aller Energiebereiche beschreibt, die Wissenschaftler messen können.
“Auch wenn das Standardmodell eine genaue Theorie ist, gibt es noch Lücken wie die Natur der Dunklen Materie oder die Antwort auf die Frage, wie aus dem Urknall ein Universum mit mehr Materie als Antimaterie hervorgehen konnte. Wir wissen noch nicht, wie wir sie schließen können”, sagte Tyce DeYoung, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der Michigan State University. “Wir hoffen, dass wir ein paar Hinweise auf diese offenen Fragen erhalten, indem wir die Eigenschaften von Neutrinos messen, beispielsweise ihre Massen und wie sie sich von einem Typ in einen anderen verwandeln.”
Neutrinos sind seltsame Teilchen. Im Gegensatz zu anderen Elementarteilchen, aus denen gewöhnliche Materie besteht, etwa Elektronen und Quarks, besitzen Neutrinos keine elektrische Ladung. Sie sind außerdem mindestens eine Million Mal leichter als jedes andere Teilchen, das der Wissenschaft bekannt ist. Ihre Massen sind in der Tat so klein, dass Wissenschaftler sie noch nicht exakt messen konnten.
Das im Hinterkopf, vergleicht DeYoung seine Arbeit mit einem Angelausflug, bei dem sich die Forscher nicht sicher sind, welches der beste Köder ist. “Angeln” durch das Eis auf Antarktika bringt jedoch vielversprechende Ergebnisse und grenzt die Suche ein.
“Als Physiker hofften wir, dass das Higgs-Boson uns die Physik jenseits des Standardmodells aufzeigen würde. Leider haben unsere Messungen des Higgs-Bosons nicht viele Anhaltspunkte gebracht”, sagte DeYoung. “Deshalb hoffen wir etwas zu finden, indem wir Neutrinos untersuchen. IceCube registriert Neutrinos in einem breiteren Energiebereich und über größere Distanzen hinweg als andere Experimente – wir werfen damit ein großes Netz aus.”
Energiereiche Neutrinos, die von kosmischen Strahlen beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre erzeugt werden, können am Südpol nachgewiesen werden, wobei das antarktische Eis wie kein anderer Teilchendetektor auf dem Planeten agiert. Die IceCube-Daten sprechen dafür, dass eine Neutrinoart aus exakt gleichen Mengen zweier Neutrino-“Flavors” bestehen könnte.
“Neutrinos verändern sich oder oszillieren zwischen drei Typen, die wir ‘Flavors’ nennen”, sagte Joshua Hignight von der Michigan State University, der die neuen Ergebnisse auf dem Treffen vorstellte. “Wenn also ein Neutrino ein exakt gleicher Mix aus zwei Flavors ist, dann könnte es ein überraschender Zufall sein, oder es könnte einen tieferen Grund dafür geben, der aus der Physik jenseits des Standardmodells kommt.”
Diese Messungen stimmen mit den Ergebnissen anderer Experimente überein, die Neutrinos mit geringeren Energien beobachteten, aber ob dieses Flavor-Gemisch exakt im Gleichgewicht ist, bleibt Gegenstand aktueller Diskussionen. Die IceCube-Physiker werden ihre Analyse verfeinern und mehr Daten sammeln. Zukünftige Daten werden ermöglichen, dass diese Messungen präziser durchgeführt werden können.
IceCube ist der weltgrößte Neutrinodetektor und nutzt eine Milliarde Tonnen des antarktischen Eisschildes unter der Amundsen-Scott-Südpolstation, um Neutrinos zu beobachten. Er wird von einer Gemeinschaft aus 300 Physikern von 48 Universitäten und nationalen Laboratorien in zwölf Ländern betrieben. Die Konstruktion war möglich dank der Unterstützung der National Science Foundation und anderer internationaler Leistungsträger.
(THK)
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