IceCube-Projekt

Dortmunder Forscher finden Hinweise auf Herkunft von Neutrinos

Dortmund - Physiker der TU Dortmund sind am IceCube-Projekt am Südpol beteiligt, dem größten Detektor für allerkleinste Teilchen. Jetzt ist den Wissenschaftlern eine spektakuläre Beobachtung gelungen.

Wissenschaftler suchen am Südpol mit Detektoren, die kilometertief im Eis versenkt sind, nach Neutrinos aus dem Kosmos. Das sind winzig kleine, elektrisch neutrale Elementarteilchen, die uns unbemerkt milliardenfach umgeben.

Die so genannten Geisterteilchen haben so wenig Masse, dass sie Materie und sogar die gesamte Erde problemlos durchdringen. Dementsprechend schwer sind sie zu beobachten oder nachzuweisen. Interessant ist für die Wissenschaft auch ihre Herkunft, die Aufschluss gibt über den Aufbau unseres Universums und die Vorgänge im Weltall.

Internationales Team forscht am Südpol

Am IceCube-Projekt, dem größten Neutrino-Detektor der Welt, sind auch Physiker der TU Dortmund beteiligt. Die Forscher haben es jetzt geschafft, den scheuen kosmischen Neutrinos auf die Schliche zu kommen. Das internationale Team hat erstmals eine Quelle für extrem energiereiche Neutrinos tief im Weltraum gefunden: ein vier Milliarden Lichtjahre entfernter Blazar, ein massives schwarzes Loch im Zentrum einer entfernten Galaxie des Sternbilds Orion. Es beschleunigt ungeheure Mengen an Materie und schleudert sie ins Weltall.

Fachartikel zu der Entdeckung sind jetzt im renommierten Wissenschaftsmagazin Science erschienen. Wissenschaftler der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) aus TU Dortmund, der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Duisburg-Essen trugen vor allem zur aufwendigen Analyse und Interpretation der Daten aus dem ewigen Eis sowie zu Simulationsrechnungen bei.

Nachweis gelingt nur über einen Trick

Entscheidend für die Entdeckung der Neutrinoquelle war ein Signal, das die mehr als 5000 Meter tief im Eis eingeschlossenen IceCube-Detektoren am 22. September 2017 registrierten. Eineinhalb Kilometer unterhalb der Eisoberfläche und damit weit genug entfernt vom Tageslicht können die Detektoren den sogenannten Tscherenkow-Effekt erfassen, ein bläuliches Leuchten, das durch eine schwache Wechselwirkung der Teilchen mit dem Eis entsteht.

An der Himmelsposition, aus der das Neutrino erfasst wurde, entdeckten die Forscher-Teams eine Quelle von Gammastrahlung: den aktiven Galaxienkern "TXS 0506+056". Hierbei handelt es sich um die Umgebung eines massereichen Schwarzen Lochs. Die Forscher mussten herausfinden, ob das die gesuchte Neutrino-Quelle sein konnte.

Unterstützung durch Teleskope auf La Palma

"An diesem Punkt kommen unsere Magic-Teleskope auf La Palma ins Spiel, die wir genau wie den IceCube-Detektor seit mehreren Jahren in einer internationalen Kollaboration betreiben", erklärt Neutrinoforscher Prof. Wolfgang Rhode, Astrophysiker der TU Dortmund. So ließ sich die Gammastrahlen-Quelle in Herkunftsrichtung der Neutrinos bestätigen. Rohde: "Das ist genau das erste konkrete Anzeichen der möglichen Entdeckung einer Neutrino-Quelle, das wir erwartet hatten."

Möglicherweise ist den Wissenschaftlern ein Durchbruch in der Hochenergie-Astrophysik gelungen: "Die Identifikation eines aktiven Galaxienkerns als Neutrino-Quelle wäre nicht nur ein großer Schritt zum Verständnis der Prozesse in der unmittelbaren Umgebung massereicher Schwarzer Löcher, sondern auch eine heiße Spur zum Ursprung der geheimnisvollen hochenergetischen kosmischen Strahlung", erklärt Julia Tjus von der Ruhr-Universität Bochum, eine der Autorinnen der nun vorgestellten Studien.

Intelligente Analyseverfahren sind der Schlüssel

Nun gilt es, den Verdacht über die Herkunft des Neutrinos aus einem aktiven Galaxienkern durch den Nachweis weiterer Ereignisse zu erhärten. Für diese spannenden Aufgaben sind die zum "Ruhr Astroparticle-Plasma Physics Center" (RAPP Center) zusammengeschlossen Forscher der UA Ruhr hervorragend aufgestellt.

"In der modernen Astro- und Teilchenphysik spielen intelligente Analyseverfahren und die Simulation der Detektoren auf Großrechneranlagen eine entscheidende Rolle", sagt Dr. Tim Ruhe von der TU Dortmund. "In diesem Bereich leisten wir sowohl für IceCube als auch für Magic führende Beiträge."

Ein großer Teil der Arbeit an innovativen und intelligenten Analyseverfahren erfolgt im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 876 "Verfügbarkeit von Information durch Analyse unter Ressourcenbeschränkung" an der TU.

Doktorand der TU forscht am Südpol

Ihre Stärken bringen die UA Ruhr-Gruppen auch unmittelbar in die Beobachtungen ein: Die Dortmunder Doktorandin Alicia Fattorini ist in der Magic Kollaboration Teil eines Teams, das schnelle Analysen von Neutrino-Nachbeobachtungen durchführt. Johannes Werthebach, ebenfalls Doktorand in Dortmund, hält sich zurzeit am Südpol auf und betreut die IceCube-Detektoren.

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