KM3NeT: Das energiereichste jemals beobachtete Neutrino

In den Tiefen des Mittelmeers wurde mithilfe des
KM3NeT-Neutrino-Teleskops das energiereichste Neutrino nachgewiesen, das je
beobachtet wurde. Die Entdeckung stellt den ersten Beweis dafür dar, dass
Neutrinos mit solch extremen Energien im Universum erzeugt werden. Mit dem
weiteren Ausbau von KM3NeT hofft man auf weitere Entdeckungen dieser Art.
 
KM3NET
Das energiereichste jemals beobachtete Neutrino
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
14. Februar 2025
Nach sorgfältiger Analyse und Interpretation der experimentellen Daten hat
eine internationale wissenschaftliche Kollaboration, die mit dem kilometergroßen
Neutrino-Teleskop KM3NeT arbeitet und auch Astronomen des Max-Planck-Instituts
für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn umfasst, am 13. Februar 2023 das Signal
KM3-230213A mit einer Energie identifiziert, die 16.000 Mal größer ist als die
stärksten Teilchenkollisionen, die der Large Hadron Collider des CERN
erzeugen kann. Der Detektor fing ein einzelnes Myon auf, das den gesamten
Detektor durchquerte und Signale in mehr als einem Drittel der aktiven Sensoren
auslöste. Die Richtung, in der es sich bewegte, und seine Stärke lassen
vermuten, dass das Myon von einem kosmischen Neutrino in der Nähe des Detektors
stammt.
Neutrinos sind nach den Lichtteilchen oder Photonen die zweithäufigsten
Teilchen im Universum. Da sie nur sehr schwach mit Materie wechselwirken,
erfordert ihr Nachweis große und sehr empfindliche Instrumente. Das
KM3NeT-Teleskop, das derzeit gebaut wird, ist ein riesiges
Tiefsee-Observatorium, das aus zwei Teilen besteht, ARCA und ORCA. Wenn es
fertig ist, wird KM3NeT mehr als einen Kubikkilometer umfassen. KM3NeT nutzt
Meerwasser sowohl als Detektionsmedium als auch zur Abschirmung von
Hintergrundgeräuschen. Seine optischen Hightech-Module detektieren das
Cherenkov-Licht, ein bläuliches Leuchten, das bei der Bewegung der extrem
schnellen Teilchen entsteht, die bei der Wechselwirkung von Neutrinos durch das
Wasser entstehen.
„Durch die Kombination von Multi-Messenger-Beobachtungen versuchen wir, eine
Verbindung zwischen der Beschleunigung der kosmischen Strahlung, der Produktion
von Neutrinos und der Rolle supermassereicher Schwarzer Löcher bei der
Entstehung dieser energetischen Phänomene herzustellen“, sagt Yuri Kovalev,
Leiter des vom ERC finanzierten MuSES-Projekts am MPIfR. „Mit dem ERC-MuSES-Projekt
wollen wir die komplizierten Prozesse entschlüsseln, die aktive galaktische
Kerne antreiben, die zu den extremsten Teilchenbeschleunigern im Universum
gehören.“
Das Hochenergieuniversum ist voller dramatischer Ereignisse wie
supermassereiche Schwarze Löcher, Supernova-Explosionen und
Gammastrahlenausbrüche, deren innerer Aufbau noch weitgehend unerforscht ist. Es
sind leistungsstarke kosmische Beschleuniger, die Ströme kosmischer Strahlung
erzeugen, von denen einige mit der umgebenden Materie oder mit Photonen
wechselwirken und dabei Neutrinos und hochenergetische Photonen erzeugen. Andere
können mit Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund kollidieren und
dabei extrem energiereiche sogenannte kosmogene Neutrinos erzeugen.
Mit KM3NeT werden nun Neutrinos aus extremen astrophysikalischen Ereignissen
nachgewiesen und dabei bisher unerforschte Energiebereiche untersucht. „Dieser
erste Nachweis eines Neutrinos im Bereich von Hunderten von PeV eröffnet ein
neues Kapitel in der Neutrinoastronomie“, sagt Paschal Coyle, KM3NeT-Sprecher
zum Zeitpunkt des Nachweises und Forscher am IN2P3/CNRS in Frankreich. Ein
Petaelektronenvolt (PeV) entspricht dabei 1015
oder einer Billiarde Elektronenvolt.
Neutrinos gehören zu geheimnisvollsten Elementarteilchen – sie haben keine
elektrische Ladung, fast keine Masse und wechselwirken nur schwach mit Materie.
„Sie sind besondere kosmische Boten, die die Geheimnisse der energiereichsten
Phänomene im Universum lüften“, fügt Rosa Coniglione, stellvertretende
Sprecherin von KM3NeT zum Zeitpunkt der Entdeckung und Forscherin am INFN in
Italien, hinzu. Die Bestimmung der Richtung und Energie dieses Neutrinos
erforderte eine präzise Kalibrierung des Teleskops und ausgefeilte Algorithmen
zur Rekonstruktion der Neutrinospur. „Dieser bemerkenswerte Nachweis wurde mit
nur einem Zehntel der endgültigen Detektorkonfiguration erzielt, was das große
Potenzial unseres Experiments zeigt“, kommentiert Aart Heijboer, KM3NeT-Physiker
und Softwaremanager zum Zeitpunkt der Entdeckung und Forscher bei NIKHEF in den
Niederlanden.
Dieses hochenergetische Neutrino könnte direkt aus einem leistungsstarken
kosmischen Beschleuniger stammen, oder es könnte der erste Nachweis eines
kosmogenen Neutrinos sein. Da es sich jedoch nur um ein einziges Ereignis
handelt, bleibt sein Ursprung ungewiss. Um mehr zu erfahren, müssen die
Forscherinnen und Forscher mehr solcher Ereignisse nachweisen. Das
KM3NeT-Projekt wird mit zusätzlichen Detektoreinheiten und Daten erweitert, um
seine Fähigkeit zum Einfangen kosmischer Neutrinos zu verbessern und seine Rolle
als Schlüsselinstrument in der Multimessenger-Astronomie zu festigen. Um die
beteiligten Energien in eine makroskopische Perspektive zu rücken, entspricht
die Energie des Ereignisses KM3-230213A etwa dem 30-fachen der Energie, die zum
Drücken einer Taste auf einer Computertastatur erforderlich ist.
„Durch die Kombination von Daten aus Instrumenten wie KM3NeT, dem Global
mm-VLBI Array und dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg können wir die Quellen der
hochenergetischen Neutrinos identifizieren“, sagt Eduardo Ros, Astronom am MPIfR
und ebenfalls Mitglied des Entdeckungsteams. „Die Multi-Messenger-Astronomie ist
der Schlüssel zur Lösung des Rätsels dieser so schwer aufzufindenden Teilchen
und hilft uns dabei, ihre Herkunft zu ermitteln und die extremsten Prozesse im
Universum zu entdecken.“
„Das KM3NeT-Projekt ist ein gewaltiges Unterfangen, das sich über ein Volumen
von einem Kubikkilometer erstreckt und bei dem rund 200.000 Photomultiplier zum
Einsatz kommen“, sagt Miles Lindsey Clark, technischer Projektleiter von KM3NeT
zum Zeitpunkt der Entdeckung und Forschungsingenieur am IN2P3/CNRS in
Frankreich. „Diese Leistung spiegelt die enorme gemeinsame Anstrengung von
Ingenieuren, Technikern und Wissenschaftlern wider, die in einer der
schwierigsten Umgebungen für die Neutrinoforschung arbeiten.“
Die Entdeckung von KM3-230213A stelle, so das Team, einen großen Fortschritt
in der Multimessenger-Astronomie dar, einem Bereich, der Beobachtungen über das
gesamte elektromagnetische Spektrum und darüber hinaus, einschließlich
kosmischer Strahlung und Neutrinos, kombiniert, um die energiereichsten
Ereignisse im Universum zu untersuchen. „Das große Rätsel bleibt, wie und wo in
unserem Universum Neutrinos, diese fast masselosen, elektrisch neutralen
Teilchen, so enorme Energien erreichen. Wir können es nur lösen, wenn
Astroteilchenforscher, Theoretiker und Observatorien aus verschiedenen Bereichen
des elektromagnetischen Spektrums eng und koordiniert zusammenarbeiten. Ich bin
mir sicher, dass die Astronomie derzeit eine äußerst spannende Zeit erlebt“,
betont Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung
Radioastronomie/VLBI.
Über die Beobachtung berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
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