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Das Neutrino vom anderen Ende des Universums

Von / 18. Juli 2018 / 31 Kommentare
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Icecube-Detektor in der Antarktis. Bild: Icecube/NSF, mit freundlicher Genehmigung.

Wir können einen dritten Erfolg der Multi-Messenger Astronomie feiern, d.h. der Entdeckung von Signalen eines kosmischen Objekts über grundverschiedene Informationsträger (derzeit verfügbar: elektromagnetische Wellen wie Licht, Radio- oder Röntgenstrahlung, Teilchenstrahlung wie Protonen oder Neutrinos, sowie Gravitationswellen). Nach der Supernova 1987A, die wenige Stunden nach der Registrierung eines kleinen Neutrino-Schauers im japanischen Kamiokande-Detektor auch optisch aufleuchtete, und nach dem Gravitationswellenereignis GW170817, dessen Nachweis durch LIGO und VIRGO das Aufspüren der Verschmelzung zweier Neutronensterne in einer über 100 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie in allen verfügbaren elektromagnetischen Bändern erlaubte, konnte nun ein Neutrinoereignis direkt seiner Quelle zugeordnet werden.

 

Kosmische Hämmer

Die kosmische Strahlung wurde schon vor mehr als 100 Jahren von dem deutschen Physiker (und Jesuiten) Theodor Wulf mit dem von ihm erdachten Elektrometer bei Versuchen am Eiffelturm entdeckt und kurz danach von Victor Hess mit Ballonexperimenten als extraterrestisch identifiziert. Der Name “Strahlung” ist als “historischer Unfall” zu betrachten, denn es handelt sich, anders als bei der elektromagnetischen Strahlung, um meist geladene Teilchen wie Protonen oder leichte Atomkerne. Einige dieser Teilchen haben unvorstellbare Energien: am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC schafft man es, die Teilchen mit 13 Tera-Elektronenvolt (1 TeV=1012 eV) aufeinander prallen zu lassen – 1991 wurde in Utah ein Teilchen in der Atmosphäre registriert, das mit 320 Exa-Elektronenvolt (1EeV = 1018 eV) eingeschlagen war; das ist ein makroskopischer Energiewert von 51,3 J, etwa die Energie eines mit 110 km/h aufgeschlagenen Tennisballs – in einem Kernteilchen!

Es wurde schon länger vermutet, dass solche Teilchen, die weitaus mehr Energie haben als solche von der Sonne oder selbst aus Supernova-Explosionen, in den Magnetfeldern der Akkretionsscheiben um supermassereiche Schwarze Löcher beschleunigt werden, insbesondere im Zentrum von aktiven Galaxien, deren Schwarze Löcher gerade Materie verschlingen, aber der Nachweis ist schwierig, weil solche geladenen Teilchen trotz ihrer hohen Energien in Magnetfeldern wie denen der Milchstraße oder der Sonne abgelenkt werden und bei ihrem Einschlag ihre ursprüngliche Herkunftsrichtung nicht mehr verraten. Jedoch erzeugen die Teilchen der kosmischen Strahlung bei Wechselwirkungen mit Photonen mittlerer Energie in der Nähe ihrer Quelle auch Mesonen1, die unter anderem in ungeladene Neutrinos zerfallen, geisterhafte Teilchen, die keine Magnetfelder und keine elektrischen Felder spüren und deshalb durch die vor allem von den elektrischen Feldern der Elektronen erfüllte Materie hindurch fliegen, als sei sie nicht da – die mittlere freie Weglänge, bis ein Neutrino statistisch gesehen auf ein Quark in einem Kernteilchen stoßen würde, beträgt in Blei etwa ein Lichtjahr, und ein Neutrino könnte mit etwas Glück sogar tausende Lichtjahre Blei durchfliegen.

 

Wie man Geisterteilchen fängt

Dennoch – wenn genügend Neutrinos vorhanden sind und der Detektor groß genug ist, dann kann hin und wieder eines der Teilchen einem Quark in einem Atomkern nahe genug kommen, um mit ihm über die “Schwache Wechselwirkung” zu interagieren und Sekundärteilchen wie Elektronen, Myonen oder Tauonen erzeugen. Da Licht ein lichtbrechendes Medium mit weniger als der Vakuumlichtgeschwindigkeit durchläuft, bewegen diese schnellen Teilchen sich  im Medium des Detektors mit mehr als Medium-Lichtgeschwindigkeit und erzeugen eine Art “Überlichtblitz” von Tscherenkow-Strahlung, den die Lichtsensoren in einem Neutrinodetektor aufspüren können und dessen Orientierung verrät, aus welcher Richtung das Teilchen kam.

Schematischer Aufbau des Icecube-Neutrinodetektors. Insgesamt 5160 Digitale Optische Module (DOMs) sind zu je 60 verteilt auf 86 Stränge in das antarktische Eis zwischen 1450 und 2450 m Tiefe herabgelassen worden. Das oben im Artikelbild abgebildete IceCube Laboratory sammelt die Signale der DOMs und wertet sie aus. Bild: Icecube/NSF.

Schematischer Aufbau des IceCube-Neutrinodetektors. Insgesamt 5160 Digitale Optische Module (DOMs) sind zu je 60 verteilt auf 86 Stränge in das antarktische Eis zwischen 1450 und 2450 m Tiefe herabgelassen und dort im Eis eingefroren worden. Das oben im Artikelbild abgebildete IceCube Laboratory steht zentral über der Anlage, sammelt die Signale der DOMs und wertet sie aus. Bild: Icecube/NSF, mit freundlicher Genehmigung.

In der Nähe der Amundsen-Scott-Station am Südpol nutzt man das klare, luftblasenfreie Eis in 1450 bis 2450 m Tiefe als Detektormedium des treffenderweise IceCube genannten Neutrinodetektors. Ein Kubikkilometer Eis in dieser Tiefe wurde mit 5160 sogenannten Digitalen Optischen Modulen (DOMs) verteilt auf 86 Kabelstränge bestückt, um in der ewigen Dunkelheit die manchmal kilometerlangen Tscherenkow-Spuren der von Neutrino-Reaktionen erzeugten Teilchen zu registrieren.

Seit 2008 werden von IceCube jährlich bis zu 70.000 Neutrinospuren registriert, von denen weniger als 1% kosmischen Ursprungs sind; die meisten stammen aus Zerfällen in der Atmosphäre, ausgelöst durch kosmische Strahlen. Seit 2016 werden automatische Alarme bei der Detektion von mutmaßlich kosmischen Neutrinoereignissen ausgelöst und weltweit verteilt, in der Vergangenheit bereits zehnmal. Und nun gelang es endlich, die Herkunft eines solchen Teilchens erstmals dingfest zu machen.

Digitale Optische Module im Eis. Illustration: Icecube/NSF.

Digitale Optische Module im Eis. Illustration: Icecube/NSF, mit freundlicher Genehmigung.

 

Ein Neutrino aus Texas

Am 22. September 2017 um 20:54:30.43 Weltzeit registrierte IceCube ein Neutrino-Ereignis von 290 TeV, katalogisiert als IceCube 170922A. IceCube konnte die Herkunftsrichtung auf 1/2° (also etwa einen Vollmonddurchmesser) genau peilen und sendete nach 43 Sekunden bereits einen Alarm mit der ermittelten Position an die Wissenschaftswelt, die mit Beobachtungen der entsprechenden Position begann. Nach wenigen Tagen war die Quelle identifiziert. Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi hatte seit April 2017 eine verstärkte Aktivität des 4,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Blazars TXS 0506+056, der wegen des Kürzels auch den Spitznamen “Texas-Quelle” bekam, in der betreffenden Gegend ausgemacht. Die Zahlen hinter dem Buchstabenkürzel geben die Position an, 05h06 Rektaszension/+5,6° Deklination – d.h. knapp am Nordhimmel, das Neutrino wurde also nach dem Durchdringen eines beträchtlichen Stücks Erde am Südpol aufgefangen.

Spur des Neutrinos IceCube 170922A durch den IceCube-Detektor. Die Kreise entsprechen den an den 86 Strängen hängenden Sensoren, die Dicke der Kreise gibt die Leuchtkraft und die Farbe den Zeitpunkt nach dem ersten Ansprechen an. Bild: [1]

Spur des Neutrinos IceCube 170922A durch den IceCube-Detektor. Die Kreise entsprechen den an den 86 Strängen befestigten Sensoren, die Dicke der Kreise gibt die Leuchtkraft und die Farbe den Zeitpunkt nach dem ersten Ansprechen an. Bild: [1]

Blazare sind Kerne aktiver Galaxien. Wie bei allen aktiven Galaxien, von denen es eine Reihe von Typen gibt, ist hier ein supermassereiches Schwarzes Loch am Werk, das gerade Materie aus der es umgebenden Akkretionsscheibe verschlingt. Ein Großteil der Materie endet dabei nicht im Schwarzen Loch, sondern wird von den Magnetfeldern der Akkretionsscheibe als Jets in die beiden Richtungen entlang der Drehachse senkrecht zur Scheibe beschleunigt. Blazare sind nun solche aktiven Galaxienkerne, bei denen wir zufällig genau von oben in einen Jet hinein schauen und dessen erratisches Flackern, das über Zeiträume zwischen Minuten und Jahren variiert, wir somit direkt beobachten können.

Einer der beiden Spiegel des MAGIC-Tscherenkow-Teleskops au La Palma, Kanarische Inseln. Bild: Wikimedia Commons, Pachango, CC BY-SA 3.0

Einer der beiden Spiegel des MAGIC-Tscherenkow-Teleskops au La Palma, Kanarische Inseln. Bild: Wikimedia Commons, Pachango, CC BY-SA 3.0

Nachfolgende Beobachtungen mit den MAGIC-Tscherenkow-Teleskopen auf La Palma, zwei 17 m durchmessenden Parabolspiegeln, die nach Tscherenkow-Blitzen in der Atmosphäre suchen, die von den Sekundärteilchen der in die Lufthülle einschlagenden Gammastrahlen und Teilchen der kosmischen  Strahlung verursacht werden, bestätigten, dass vom Blazar Gammastrahlen von bis zu 400 GeV ausgingen – da brodelte es offenbar gerade gewaltig. Die Aktivität des Blazars konnte mit (neben IceCube) insgesamt 17 Geräten über einen weiten Hochenergie-Frequenzbereich nachgewiesen werden.

 

Beobachtungen der Herkunftsregion des Neutrino-Ereignisses IceCube 170922A (Ringe mit 90% und 50% Herkunftswahrscheinlichkeit) durch das LAT-Gerät auf dem Gamma-Weltraumteleskop Fermi (links) und mit dem MAGIC-Tscherenkow-Teleskop auf La Palma. Beide Teleskope zeigen Aktivität genau da, wo das Neutrino herkam. Bild: [1]

Beobachtungen der Herkunftsregion des Neutrino-Ereignisses IceCube 170922A (Ringe mit 90% und 50% Herkunftswahrscheinlichkeit) durch das LAT-Gerät auf dem Gamma-Weltraumteleskop Fermi (links) und mit dem MAGIC-Tscherenkow-Teleskop auf La Palma (rechts). Beide Teleskope zeigen Aktivität genau da, wo das Neutrino herkam. Bild: [1]

Einmal ist keinmal

Nun ist ein einzelnes Neutrino noch kein phänomenaler Beleg für die Herkunft von einem im Umkreis von einem halben Grad gefundenen aktiven Objekt – auch wenn in größerem Umkreis keine anderen aktiven Objekte zur betreffenden Zeit zugange waren und die hohe Energie auf eine kosmische Quelle hinwies. Man schätzte eine Konfidenz von 3σ (99,73%), dass es kein zufälliges Zusammentreffen zweier Ereignisse war. Man fand jedoch in den Aufzeichnungen von IceCube 13±5 Neutrinos über dem statistischen Hintergrundrauschen aus der gleichen Richtung, die bereits um die Jahreswende 2014/2015 registriert worden waren (Bild unten). Deren Konfidenz wird auf 3,7σ (99,98%) geschätzt.

Satistische Auswertung der Neutrinoereignisse aus der Richtung von TXS 0506+056 über die Laufzeit von IceCube. Der Wert p gibt den negativen Zehnerexponenten an, wie wahrscheinlich eine zufällige Häufung von Neutrinos im Rauschen ein solches Ereignis produzieren würde (also etwa p=3 entspräche einer Wahrscheinlichkeit von 10-3 = 1/1000. Die orangefarbenen und blauen Kurven zeigen unterschiedliche Suchstrategien, mit denen nach Ereignissen gesucht wurde. Beide zeigen ein Ereignis um den Jahreswechsel 2015 an.

Statistische Auswertung der Neutrinoereignisse aus der Richtung von TXS 0506+056 über die Laufzeit von IceCube. Der Wert -log10 p gibt den negativen Zehnerexponenten der Signifikanz p an, d.h. wie wahrscheinlich eine zufällige Häufung von Neutrinos der entsprechenden Energie im Rauschen auftreten würde (p=3 entspräche z.B. einer Wahrscheinlichkeit von 10-3 = 1/1000). Die orangefarbenen und blauen Kurven zeigen unterschiedliche Suchstrategien, mit denen nach Ereignissen gesucht wurde. Beide zeigen ein hochsignifikantes Ereignis um den Jahreswechsel 2014/2015 an. Die gestrichelte Linie rechts zeigt das Ereignis IC 170922A vom 22. September 2017. Bild: [2]

Die Analyse der Daten ergab, dass die Leuchtkraft, die der Blazar in Form von Neutrinos aussendet, um den Faktor 4 höher ist, als die Leuchtkraft im Gammastrahlenbereich, der für Fermi messbar ist (0,1 – 100 GeV). Die Autoren in Referenz [2] gehen davon aus, dass beide Strahlungsarten aus dem Zerfall von Pionen2 entstehen: begegnet ein hochbeschleunigtes Proton einem Photon, können entweder ungeladene Pionen entstehen, die zu zwei Gammastrahlen-Photonen zerfallen, oder geladene Pionen, die in ein Lepton (Elektron oder seine schweren Brüder Myon und Tauon bzw. deren Antiteilchen) und ein Neutrino zerfallen – die Häufigkeit sollte gleich sein, weil genau so viele neutrale wie geladenen Pionen entstehen müssten. Entweder wird die Gammastrahlung in der Nähe des schwarzen Lochs oder im Jet absorbiert, oder sie hat Energien außerhalb der Empfindlichkeit von Fermi.

Blazare bzw. die Jets von supermassereichen Schwarzen Löchern sind somit als eine der vermuteten Quellen für kosmische Strahlung hoher Energie belegt. Jedoch können sie nur für einen Teil der energiereichen Neutrinos verantwortlich sein wie in Referenz [1] ausgeführt wird, denn frühere Untersuchungen des Zusammenfallens von Fermi-LAT-Beobachtungen von Blazar-Eruptionen und IceCube-Neutrino-Ereignissen oberhalb von 10 TeV zeigten keine eindeutige Übereinstimmung. Vielleicht können weitere Multi-Messenger-Beobachtungen die anderen Quellen der kosmischen Hämmer identifizieren.

 

Referenzen

[1] The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403 teams, “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A“, Science, 12. Juli 2018.

[2] The IceCube Collaboration, “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert“, Science, 12. Juli 2018.

 

Weitere Artikel

1 Mesonen sind instabile Teilchen mittlerer Masse, die aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen; die stabilen Baryonen wie Neutron und Proton bestehen hingegen aus drei Quarks (bzw. ihre Antiteilchen aus drei Antiquarks).

2 Pionen oder Pi-Mesonen sind die leichtesten Mesonen, die aus Up- und Down-Quarks (bzw. Anti-Quarks) bestehen, die auch die Bestandteile von Proton und Neutron sind. Es gibt das π+, das aus einem Up-Quark und einem Down-Antiquark besteht und das eine positive Ladungseinheit trägt, das π–, das aus einem Down-Quark und einem Up-Antiquark besteht und das eine negative Ladung trägt, sowie das elektrisch neutrale π0 bestehend aus einem Up-Quark/Antiquark oder Down-Quark/Antiquark-Paar.

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Kommentare (31)

  1. #1 schlappohr
    18. Juli 2018

    Abgefahren. Ich frage mich nur, warum man bei den 2014/15er Ereignissen nicht schon genauer hingeschaut hat, wenn in so kurzer Zeit 13 Neutrinos alle aus der selben Richtung kamen. Oder war die Energie damals zu gering, als das man der Sache auf den Grund geht?

  2. #2 Alderamin
    18. Juli 2018

    @schlappohr

    Die Energie war wohl geringer. Man musste die Daten erst gezielt aus den Aufzeichungen heraussuchen. Daher fand man ja auch 13±5 über dem Rauschen, d.h. man kann gar nicht genau sagen, welche Neutrinos vom Blazar stammen und welche Rauschen sind. Der Abschnitt der Arbeit, der das Ausfiltern beschreibt, ist ziemlich komplex, da haben mich die Autoren verlassen.

    In dem Interview, das im unten verlinkten FAZ-Artikel wiedergegeben wird, hieß es auch, dass zur entsprechenden Zeit keine auffälligen Fermi-LAT-Daten aufgezeichnet wurden, d.h. der Blazar war nicht sehr aktiv. Und dass man die Prozesse, die zur Erzeugung der Neutrinos führten, noch nicht so ganz verstanden habe.

  3. #3 MinkyMietze
    18. Juli 2018

    vllt. passt es ja nich hier hin, aber hat jemand von den Wissenschaftlern hier dazu was zu sagen? https://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/krise-in-naturwissenschaft-verfuehrte-physiker-15667988.html

  4. #4 Frank Wappler
    18. Juli 2018

    Alderamin schrieb (18. Juli 2018):
    > […] begegnet ein hochbeschleunigtes Proton einem Photon, können entweder ungeladene Pionen entstehen, die zu zwei Gammastrahlen-Photonen zerfallen, oder geladene Pionen, die in ein Lepton (Elektron oder seine schweren Brüder Myon und Tauon bzw. deren Antiteilchen) und ein Neutrino zerfallen

    Beim Zerfall von (negativ) geladenen Pionen entstehen primär fast ausschließlich Myonen und Myon-Antineutrinos und nur sehr selten Elektronen und Elektron-Antineutrinos (bzw. die entsprechenden Antiteilchen beim Zerfall positiver Pionen). Tauonen und Tauon-Antineutrinos entstehen beim Zerfall von Pionen dagegen überhaupt nicht.

    (Das schließt allerdings nicht aus, dass in Folge einer Wechselwirkung von Proton und Photon mit ausreichender Energie auch Tauonen und begleitende Tauon-Neutrinos produziert werden können;

    – entweder primär z.B. durch (p + \gamma)^{\ast} \rightarrow n + \tau^+ + \nu_{\tau},

    – oder sekundär z.B. durch (p + \gamma)^{\ast} \rightarrow \Lambda_b + B^0 \rightarrow \Lambda_b + D^- + \tau^+ + \nu_{\tau}.
    )

  5. #5 Alderamin
    18. Juli 2018

    @MinkyMietze

    Passt wirklich nicht so ganz (empirische Arbeiten wie diese hier kritisiert Frau Hossenfelder ja gerade nicht). Bin aber auch kein Wissenschaftler und weiß nicht, ob viele hier mitlesen.

  6. #6 Alderamin
    18. Juli 2018

    @Frank Wappler

    Was eigentlich egal ist, weil die Neutrinos unterwegs zur Erde ihren Flavor ändern, bis alle Flavors gleich häufig auftreten, egal was erzeugt wurde. Da IceCube nur Myon-Neutrinos nachweisen kann, nahm man deren bestimmte Leistung einfach mal drei, um auf die Neutrino-Leuchtkraft der Quelle zu schließen. Stand in Referenz [2].

    [Edit] Da ich auf Leserwunsch das eingerückte Zitieren unter der Originalnachricht abgestellt habe und das unerwarteterweise auch meine eigenen Antworten betrift, muss ich die Adressaten eingangs nachtragen, was ich hiermit getan habe.[/Edit]

  7. #7 Phero
    19. Juli 2018

    Manchmal, wenn ich deine Artikel lese, denke ich die komplette Zeit über, dass sie von Florian geschrieben worden sind – und bin dann am Ende in den Kommentaren recht überrascht. Ist das jetzt gut oder schlecht?

  8. #8 Wraps
    19. Juli 2018

    Hallo!
    Schöner Artikel! Wie ich die Nachrichten über dieses Ereignis gelesen/gehört habe ist mir aber sofort eine Sache in den Kopf geschossen… Alle sagen dass wir nun mit Sicherheit sagen können woher dieses Neutrino kommt.

    Wäre es aber nicht (rein theoretisch) möglich dass das Neutrino aufgrund der gewaltigen Masse des schwarzen Loches, via Gravitation, genau in unsere Richtung gelenkt wurde?
    Somit die Entstehung eigentlich garnicht dort stattgefuden hat?

    Oder gibt es Möglichkeiten festzustellen wie lange/aus welcher Entfernung so ein Neutrino kommt á la Rotverschiebung etc.?

    Bin leider ein absoluter Laie auf dem Gebiet 🙂

    LG
    Wraps

  9. #9 Funktionalistiker
    19. Juli 2018

    Als Funktionalistiker durchschreite ich immer auf dem Weg zur Erkenntnis die „Station der Widerlegung“. Eine Aussage erhält erst dann die Einschätzung „akzeptabel“, wenn sie im Zuge des mehrfachen Versuchs der Widerlegung Bestand behält.
    Ich habe gerade mal eine Aussage gelesen die da lautet.
    Etwa 640 Billionen solare Neutrinos strömen pro Sekunde durch einen Quadratmeter
    Erdoberfläche. Angesichts des hohen Energiegehalts der Sonnenneutrinos, der mit dem von niederenergetischen Gammaphotonen vergleichbar ist, ist diese geisterhafte Neutrinoflut faszinierend.

    Der Ansatz für die 1. Widerlegung der Aussage lautet:
    Wegen der geringen Rate, mit der Neutrinos detektiert werden können, sind solche Schlussfolgerungen, wie sie in dem Bericht dargelegt wurden, überhaupt nicht möglich.

  10. #10 Alderamin
    19. Juli 2018

    @Phero

    Schlecht, weil ich folglich meinen eigenen Stil noch nicht gefunden habe. Gut, weil ich dem Meister schon das Wasser reichen kann.

    Im Ernst, ich denke, mein Stil ist schon ein anderer (wurde ja auch schon kritisiert, dass meine Artikel zu sehr hochglanzpoliert, zu lang und zu kompliziert seien; an den letzten beiden Punkten habe ich versucht, was zu ändern, beim ersten sehe ich das eher nicht ein), und Florian ist nach Jahren von Blogging und mehreren Buchveröffentlichungen natürlich viel geübter (und schneller; er schreibt ein paar Artikel am Tag, ich ein paar Tage über einen Artikel).

    Es ist wohl auch schwerer, Dinge auf einem einfacherem Level für ein breiteres Publikum zu erklären, was Florian meisterlich beherrscht. Wenn ich Artikel über Papers schreibe, muss ich mir den Inhalt erst erarbeiten und ich gebe Dinge wieder, die ich gerade erst verstanden habe. Während ich schreibe, wird manches erst klar. Am Ende müsste ich den Artikel eigentlich noch einmal ganz neu schreiben, was viel zu viel Aufwand wäre. Bei meinem Heise-Artikel zu Gaia konnte ich mir den Luxus leisten, weil ich ja schon vier Gaia-Artikel hier geschrieben hatte und die nur noch zusammenzufassen brauchte. Da lohnte der Aufwand auch finanziell.

    Aber Danke für das Kompliment! 🙂

  11. #11 Alderamin
    19. Juli 2018

    @Wraps

    Alle sagen dass wir nun mit Sicherheit sagen können woher dieses Neutrino kommt.

    Nur mit der angegeben 3σ-Konfidenz, also 99,73%.

    Wäre es aber nicht (rein theoretisch) möglich dass das Neutrino aufgrund der gewaltigen Masse des schwarzen Loches, via Gravitation, genau in unsere Richtung gelenkt wurde?
    Somit die Entstehung eigentlich garnicht dort stattgefuden hat?

    Abgesehen davon, dass es dafür dem Schwarzen Loch oder Stern extrem nahe gekommen sein müsste, damit eine signifikante Ablenkung stattfindet, und der Raum ist ziemlich leer, sonst würde man ja auch andauernd Gravitationslinsenereignisse von Sternen sehen – das Licht des Blazars würde ja dieselbe Ablenkung erfahren (was die Galaxie drumherum im übrigen verzerren würde, sollte eigentlich auffallen). Jedenfalls würde die elektromagnetische Strahlung der Quelle genau denselben Weg gehen, Raumkrümmung trifft alle llichtschnellen Infromationsträger in der gleichen Weise.

    Oder gibt es Möglichkeiten festzustellen wie lange/aus welcher Entfernung so ein Neutrino kommt á la Rotverschiebung etc.?

    Nein, man kann ja eigentlich auch die in der Atmosphäre entstandenen Neutrinos nicht von den kosmischen auseinander halten. Die Unterscheidung erfolgt nur über die Energie. Die kosmischen Neutrinos liegen öfters über 100 TeV als die irdischen (steht sinngemäß in Referenz [2]).

    Daher die Rest-Irrtumswahrscheinlichkeit. Man hat berechnet, wie wahrscheinlich es ist, dass ein zufällig in der Atmosphäre entstandenes Neutrino einer so hohen Energie just in dem Moment aus einem so kleinen Himmelsabschnitt um den Blazar herkommt, wenn dieser Aktivität zeigt. Da man die Verteilung der Energien der Hintergrundneutrinos und die räumliche Ortungsgenauigkeit des Detektors sehr gut kennt, kann man das unter Hinzuziehung der Häufigkeit der Blazar-Aktivität sehr gut abschätzen.

  12. #12 Alderamin
    19. Juli 2018

    @Funktionalistiker

    Wegen der geringen Rate, mit der Neutrinos detektiert werden können, sind solche Schlussfolgerungen, wie sie in dem Bericht dargelegt wurden, überhaupt nicht möglich.

    Sind 70000 detektierte Neutrinos pro Jahr denn nichts? Selbst die 1% kosmischen sind noch 700 pro Jahr. Und das Teilchen kam durch die Erde hindurch, war also definitiv ein Neutrino und kein Teilchen (oder Sekundärteilchen) der kosmischen Strahlung (ein radioaktives Zerfallsprodukt aus dem Erdinneren scheidet wegen der > 100 TeV sowieso aus). Für die Irrtumswahrscheinlichkeit siehe den Kommentar zuvor und den Nachweis eines ganzen Stoßes weiterer Neutrinos 2014/15.

    Was genau soll jetzt falsch geschlussfolgert sein?

  13. #13 Wraps
    19. Juli 2018

    @Alderamin
    Danke für die ausführliche Antwort! Nun scheint es mir klarer.

  14. #14 MartinB
    https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen
    19. Juli 2018

    @MinkyMieze
    Die Kritik von Sabine Hossenfelder an der aktuellen Physik (auch in ihrem backreaction-blog nachzulesen) hat auf jeden Fall Hand und Fuß. Das Buch werde ich demnächst im Urlaub lesen, danach gibt es sicher eine Rezension auf meinem Blog.

  15. #15 Frank Wappler
    19. Juli 2018

    Alderamin schrieb (#6, 18. Juli 2018):
    > Was eigentlich egal ist, weil […]

    Das deute ich mal als Kurzfassung von:
    “Was in Kommentar #4 steht stimmt: Pionen-Zerfälle produzieren keine Tau-Leptonen; danke für den Hinweis. Für die Flavor-Mischung der Neutrinos, die vom IceCube-Detektor registriert werden können, ist das aber eigentlich egal, weil …”.

    In diesem Sinne: Gern geschehen!

    > Da IceCube nur Myon-Neutrinos nachweisen kann, […]

    Auch dieser Auffassung möchte ich widersprechen; vgl. z.B. “Search for Astrophysical Tau Neutrinos with IceCube“.

  16. #16 Alderamin
    19. Juli 2018

    @Frank Wappler

    Pionen-Zerfälle produzieren keine Tau-Leptonen

    Mag sein. Im Paper stand nur, die Zerfälle produzieren ein Neutrino und ein Lepton. Da nicht jeder weiß, was ein Lepton ist, habe ich alle aufgezählt.

    > Da IceCube nur Myon-Neutrinos nachweisen kann, […]

    Auch dieser Auffassung möchte ich widersprechen;

    Stand auch so im Paper; ansonsten hätte man die registrierte Neutrino-Leuchtkraft ja nicht mal drei genommen, um die Leuchtkraft der Quelle zu ermitteln. Zumindest müsste die Zahl registrierter Tau-Neutrinos unproportional kleiner als die der gleich häufig vorkommenden Myon-Neutrinos sein. Ich nehme an, der Detektor ist für Tau-Neutrinos einfach viel weniger empfindlich.

  17. #17 Сhemіkеr
    19. Juli 2018

    @Alderamin

    Da die Frage nach dem Stil auf­gekommen ist, muß ich mich mal klar de­kla­rie­ren: Deiner paßt mir.

    Die Ähnlichkeiten zu FF sind vor allem durch das Thema gegeben, und auch durch einem gewissen No-Non­sense-Ap­proach, bei dem es um das Ver­mit­teln von Wis­sen und nicht um Mei­nun­gen oder gar um Polemik geht. Abgesehen davon finde ich, daß Du detail­reicher schreibst, längere Sätze ver­wen­dest und das Publikum nur selten direkt an­sprichst. Alle drei kann man mit einem Wort zu­sam­men­fas­sen: Dichter. Nach einem Ab­satz bin ich mir immer ziemlich sicher, auf wes­sen Blog ich gerade lese.

    Verschiedene Rhetorik- oder Didaktik-Coaches würden die Unter­schie­de wohl ver­schie­den be­wer­ten. Ich finde, daß Du ganz hervor­ragend schreibst, und freue mich über je­den neu­en Arti­kel von Dir. Es gab noch keinen, bei dem ich nichts ge­lernt hätte.

  18. #18 Yeti
    19. Juli 2018

    @funktionalistiker:
    > Etwa 640 Billionen solare Neutrinos strömen pro Sekunde durch einen Quadratmeter
    Erdoberfläche.

    Das schließt man nicht aus den Messungen.
    Wenn man akzeptiert, dass wir die Kernprozesse, die in der Sonne stattfinden, einigermaßen kapiert haben, die Größe der Sonne und der Erde und deren Abstand einigermaßen genau bekannt ist, kann man diese Zahl einfach ausrechnen.

    Wie viele man von denen nun nachweist, spielt kaum eine Rolle für deren wirkliche Anzahl. Die Nachweismethoden werden ja auch immer besser. Ich muss nochmal meine Greg-Egan-Sammlung durchgehen, ich meine der hätte in einem seiner Romane beschrieben, wie man Neutrinos besser “fangen” kann. Oder war’s Robert L. Forward im “Drachenei”?

  19. #19 Joselb
    20. Juli 2018

    @Alderamin
    Ich muss mich @Chemiker anschließen. Auch ich finde deinen Stil perfekt. Er ließt sich angenehm flüssig, der Wissensdurst wird kaum durch themenfremdes Beiwerk – wie es inzwischen viel zu oft zur Auflockerung genutzt wird – abgelenkt und ich fühl mich als interessierter, Technik-affiner Laie als ein Teil der Zielgruppe.

    Da nehme ich auch gerne in Kauf, einen Artikel nicht auf einmal lesen zu können (schaffe ich soweiso bei den wenigsten Blogs, selbst wenn die Artikel relative kurz sind) oder einen Abschnitt auch erst beim zweiten Lesen vollständig verstanden zu haben. Im Gegenteil trösten die langen Artikel sehr über die lange Schreibdauer hinweg und es wird einfacher, einzelne Passagen auch später wieder zu finden. So ist für mich es einfach leichter zu merken, dass du eine Frage 2 Seiten nach einem bestimmten Bild in einem von 3 bis 4 längen Artikeln zum Themenkomplex behandelt hattest, als an welchem Tag der Artikel geschrieben wurde oder welcher von vielen kurzen Artikeln zu einem Thema es war.

    Alles in allem ist mir dein Blog hier bei Scienceblogs inzwischen der Liebste.

  20. #20 leo
    Stil ?
    23. Juli 2018

    Ja , gefaellt mir.
    1) Die Erscheinungsweise von einem Artikel alle paar Tage finde ich ideal.
    2) Die Ausfuehrlichkeit der Beitraege finde ich auch gut.
    (Wenn ich nicht die Zeit oder Geduld zum vertieftem Studium habe
    dann gehe ich nach den ersten drei Absaetzen einfach gleich zu dem Kommentaren)

  21. #21 schlappohr
    23. Juli 2018

    Deine Artikel haben manchmal etwas von einer Mahler-Sinfonie: Das Glücksgefühl kommt erst hinterher 🙂
    Mir gefällt es besonders, dass Du auf die Fragen der Kommentatoren antwortest. Das macht FF seit einiger Zeit nur noch sporadisch, aber bei der Menge an Artikeln, die er schreibt, geht das vermutlich auch nicht mehr anders. Ansonsten seit ihr qualitativ auf Augenhöhe. Nicht immer leicht zu verstehen, aber wir sind ja auch nicht auf dem Ponyhof. Ein Artikel, der mich eine Weile beschäftigt, ist mir lieber als einer, den ich sofort verstehe und wieder vergesse. Also: Thumbs up.

  22. #22 Alderamin
    23. Juli 2018

    @alle

    Danke! 🙂

  23. #23 Karl Mistelberger
    25. Juli 2018

    > #10 Alderamin, 19. Juli 2018
    > Florian ist nach Jahren von Blogging und mehreren Buchveröffentlichungen natürlich viel geübter (und schneller; er schreibt ein paar Artikel am Tag, ich ein paar Tage über einen Artikel).

    Ich hoffe, es bleibt bei ein paar Tagen pro Artikel. Der Aufwand macht sich angenehm bemerkbar. Routine beim Bloggen treibt seltsame Blüten.

  24. #24 Frank Wappler
    25. Juli 2018

    Alderamin schrieb (#16, 19. Juli 2018):
    > […] Stand auch so im Paper [Ref. 2 des obigen ScienceBlog-Artikels ]; ansonsten hätte man die registrierte Neutrino-Leuchtkraft ja nicht mal drei genommen, um die Leuchtkraft der Quelle zu ermitteln.

    So ganz scheine ich diesen (in der genannten referenz offenbar exakt gemeinten) “Faktor drei” nicht zu verstehen;
    zumindest eine (sicherlich sehr naive) Abzählung von leptonischen charged-current Wechselwirkungskanälen ergibt eher, dass in 5/9 (also über der Hälfte) davon mindestens ein Myon produziert würde (das dann eventuell auch “den Detektor-Trigger auslösen” könnte):

    (\nu_{e})^{\ast} \rightarrow e^- + \nu_e + e^+,

    (\nu_{e})^{\ast} \rightarrow e^- + \nu_{\mu} + \boxed{\mu^+},

    (\nu_{e})^{\ast} \rightarrow e^- + \nu_{\tau} + \tau^+,

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \boxed{\mu^-} + \nu_e + e^+,

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \boxed{\mu^-} + \nu_{\mu} + \boxed{\mu^+},

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \boxed{\mu^-} + \nu_{\tau} + \tau^+,

    (\nu_{\tau})^{\ast} \rightarrow \tau^- + \nu_e + e^+,

    (\nu_{\tau})^{\ast} \rightarrow \tau^- + \nu_{\mu} + \boxed{\mu^+},

    (\nu_{\tau})^{\ast} \rightarrow \tau^- + \nu_{\tau} + \tau^+.

    (Leptonische neutral-current Wechselwirkungskanäle, also unter anderen

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \nu_{\mu} + e^+ + e^-,

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \nu_{\mu} + \boxed{\mu^+} + \boxed{\mu^-} oder

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \nu_{\mu} + \tau^+ + \tau^-,

    sowie Wechselwirkungskanälen, bei denen Hadronen erzeugt werden, also

    (\nu_{e})^{\ast} \rightarrow e^- + \text{Hadronen},

    (\nu_{\mu})^{\ast} \rightarrow \boxed{\mu^-} + \text{Hadronen} oder

    (\nu_{\tau})^{\ast} \rightarrow \tau^- + \text{Hadronen},

    dürften die Gesamtbilanz allerdings näher zu 1/3 bringen.)

    > […] Ich nehme an, der Detektor ist für Tau-Neutrinos einfach viel weniger empfindlich.

    Ich nehme an, dass das antarktische Eis weder signifikante Mengen von Myonen (oder Antimyonen) noch von Tauonen (oder Antitauonen) enthält, aufgrund derer sich wesentlich ungleiche Wirkungsquerschnitte für einige der o.g. Prozesse erwarten ließen. Und wie sich das offenbare Vorhandensein von Elektronen auf den Wirkungsquerschnitt für Elektron-Antineutrinos gegenüber dem für Elektron-Neutrinos auswirkt, bzw. vergleichsweise auch gegenüber denen der anderen Neutrino-“Flavors”, bliebe zu recherchieren.

    Außerdem dürfte sich hinsichtlich der o.g. “Tscherenkow-Spuren” ein Tauon, das sich z.B. mit \gamma = 10^8 durch’s Eis bewegte, kaum von einem Muon unterscheiden lassen, dass sich ebenfalls mit \gamma = 10^8 durch’s Eis bewegte.

  25. #25 Alderamin
    25. Juli 2018

    @Frank Wappler

    So ganz scheine ich diesen (in der genannten referenz offenbar exakt gemeinten) “Faktor drei” nicht zu verstehen;

    Neutrinos oszillieren doch zwischen den drei Flavors. Es spielt keine Rolle, wieviele von welchem Typ entstehen, am Ende hat man 1/3 von jedem Flavor. Deswegen vermisste man ursprünglich 2/3 der Sonnenneutrinos, weil die Detektoren, die diese aufspüren sollten, nur (odr hauptsächlich) für den erwarteten Flavor empfindlich waren.

  26. #26 Frank Wappler
    https://all.certified.mail.is.registred--but.registred.mail.is.not.necessarily.certified...
    25. Juli 2018

    Alderamin schrieb (#25, 25. Juli 2018):
    > Neutrinos oszillieren doch [ https://de.wikipedia.org/wiki/Neutrinooszillation …]

    Sicher; die Annahme (aus der o.g. Ref. [2]),

    Assuming that the muon-neutrino fluence […] is one-third of the total neutrino fluence

    finde ich auch ganz gerechtfertigt (anhand der Abschätzung der Entfernung der vermuteten Quelle, usw.).

    Es ist aber eine weitere Annahme involviert, die mich nicht ohne Weiteres überzeugt; nämlich, dass der von IceCube nachgewieses Überschuss (vgl. mit Hintergrund) an relevanten Myonen ausschließlich auf vorausgegangene Wechselwirkung von Myonen-Neutrinos zurückzuführen sei;
    also dass Prozesse wie

    (\overline \nu_e + e^-)^{\ast} \rightarrow \overline \nu_{\mu} + \mu^- oder

    (\nu_{\tau})^{\ast} \rightarrow \tau^- + ... \rightarrow \mu^- + ...

    im betrachteten Zusammenhang nicht der Rede wert wären. Vgl.

    When high-energy muon neutrinos interact with the ice, they can create relativistic muons that travel many kilometers, creating a track-like series of Cherenkov photons recorded when they pass through the array.

    Zweifellos wurden von allen Muon-Neutrinos, die IceCube gezählt hat, bei ihrer Wechselwirkung mit dem Eis Myonen produziert, deren Tscherekow-Strahlung registriert wurde.

    Aber: waren alle Neutrinos, die IceCube gezählt hat, weil bei ihrer Wechselwirkung mit dem Eis Myonen produziert wurden, deren Tscherekow-Strahlung registriert wurde, wirklich und ausschließlich Muon-Neutrinos ?

    (Die entsprechenden Missidentifikations-Wahrscheinlichkeiten und Empfindlichkeiten wären zu recherchieren …)

    > […] am Ende hat man 1/3 von jedem Flavor.

    p.s.
    Konsistent mit der Bedeutung des Begriffs “flavor” im Hadronen-Sektor wäre es allerdings, auch die (drei unterscheidbaren) “Massen-Eigenzustände” von Neutrinos so zu bezeichnen;
    und Elektron-, Myon-, bzw. Tauon-Neutrinos dagegen als die drei verschiedenen “elektroschwachen Eigenzustände” von Neutrinos anzusprechen, so wie für Quarks üblich.

  27. #27 Alderamin
    25. Juli 2018

    @Frank Wappler

    Aber: waren alle Neutrinos, die IceCube gezählt hat, weil bei ihrer Wechselwirkung mit dem Eis Myonen produziert wurden, deren Tscherekow-Strahlung registriert wurde, wirklich und ausschließlich Muon-Neutrinos

    Also, ich habe eine Arbeit gefunden, die besagt, dass IceCube durchaus auch Elektron- und Tau-Neutrinos finden kann, diese aber eine andere Reaktion hervorrufen und insbesondere die Richtung der Quelle ungenauer ist. Deswegen wird man andere als Myon-Neutrinos bei der Analyse der Herkunft bestimmter Neutrinos absichtlich ausblenden wollen, was dank der unterschiedlichen Reaktion nicht schwer fallen sollte:

    IceCube will offer great advantages over AMANDA beyond its larger size: it will have a higher efficiency and a higher angular resolution in reconstructing muon tracks, it will map electromagnetic and hadronic showers (cascades) from electron- and tau-neutrino interactions and, most importantly, it will have a superior energy resolution. Simulations, backed by AMANDA data, indicate that the direction of muons can be determined with subdegree accuracy and their energy measured to better than 30% in the logarithm of the energy. For electron neutrinos that produce electromagnetic cascades, the direction can be reconstructed to better than 25° and the response in energy is linear with a resolution better than 10% in the logarithm of the energy

  28. #28 Frank Wappler
    26. Juli 2018

    Alderamin schrieb (#27, 25. Juli 2018):
    > Also, ich habe eine Arbeit gefunden, die besagt, dass IceCube durchaus auch Elektron- und Tau-Neutrinos finden kann, diese aber eine andere Reaktion hervorrufen […]

    Zunächst einmal danke dafür …

    IceCube will offer great advantages over AMANDA beyond its larger size:
    it will have a higher efficiency and a higher angular resolution in reconstructing muon tracks, it will map electromagnetic and hadronic showers (cascades) from electron- and tau-neutrino interactions and, most importantly, it will have a superior energy resolution.

    .

    Was im Zusammenhang mit “dem Faktor drei” aus der im obigen Artikel genannten Ref. 2 eine Rolle spielt, sind aber diejenigen Elektron- und Tauon-Neutrino-Wechselwirkungen, bei denen zwar ein (immer noch hinreichend “hoch-energetisches”) Myon entsteht, aber gerade keine (hinreichend charakteristischen) elektromagnetischen und/oder hadronischen (Sekundärteilchen-)Schauer;
    d.h. also genau diejenigen (primären) Wechselwirkungen, die keine positive Identifikation als verursacht von astrophysikalischen Elektron- oder Tauon-Neutrinos erlauben,
    sondern im Gegenteil die Missidentifikation als verursacht von astrophysikalischen Muon-Neutrinos nach sich ziehen können.

    Also ganz ausdrücklich die Prozesse

    – (\overline \nu_e + e^-)^{\ast} \rightarrow \overline \nu_{\mu} + \mu^- und

    – (\nu_{\tau} + e^-)^{\ast} \rightarrow \tau^- + \nu_e \rightarrow \mu^- mit anschließendem rein leptonischen Zerfall des Tauons zu Myon und Neutrinos (immerhin gut 17 % aller Zerfälle).

    (Es kämen wohl auch noch weitere Prozesse in Frage, für die die Diskussion von Identifizierung bzw. Missidentifizierung allerdings schwieriger wäre. Dass die entsprechenden Missidentifikations-Wahrscheinlichkeiten und Empfindlichkeiten zu recherchieren wären, habe ich bereits oben geschrieben … Gelungen ist mir das allerdings bisher nicht; und ich werde in den nächsten Wochen vermutlich auch keine Gelegenheit dazu haben.)

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    Ich finde den Schreibstil hier wesentlich angenehmer als nebenan. Weniger Tippfehler, klarere Sätze, weniger… ich nenne es mal “boulevardesk”, auch wenn der begriff nicht ganz passt. Welche Gründe das letztlich hat (Veröffentlichkeitsfrequenz usw.) ist ja mal egal. Dass man sich bei dem einen Blog ans andere erinnert fühlt, dürfte vor allem am Thema und an der prinzipiell ähnlichen Ausrichtung liegen.