Ich habe sicherlich schon öfter mal erwähnt, dass Wissenschaft großartig ist, oder? Aber man kann es nicht oft genug sagen! Bei welcher anderen Aktivität würden Menschen auf die Idee kommen, einen kilometergroßen Eiswürfel in der Antarktis dazu zu benutzen, um Elementarteilchen zu betrachten, die aus den Zentren von Galaxien am anderen Ende des Universums kommen!

Neutrinos sind flüchtige Dinger. Die Existenz dieser Elementarteilchen wurde 1930 vorhergesagt aber erst 1956 im Experiment nachgewiesen. Das Problem mit ihnen ist ihre Weigerung, mit normaler Materie in Kontakt zu treten. Sie haben nichts übrig für die elektromagnetische Kraft, die für die meisten Wechselwirkungen der Materie zuständig ist, die uns umgibt. So ein Neutrino kann einen kompletten Stern oder Planeten durchqueren ohne irgendwas davon zu spüren. Aus Sicht der Neutrinos existiert das alles nicht und dementsprechend schwer ist es, sie überhaupt irgendwie zu bemerken.

Bei den Kernreaktionen im Inneren der Sonne entstehen ständig unzählige Neutrinos. Könnten wir sie sehen (was wir aber nicht können, weil diese Teilchen eben nicht elektromagnetisch wechselwirken), dann würden wir die Sonne hell im “Neutrinolicht” leuchten sehen. So müssen wir enorme Anstrengungen unternehmen, um wenigstens ab und zu mal das eine oder andere Neutrino aufzufangen. Wir müssen gewaltige Mengen Materie (zum Beispiel Wasser) unter kontrollierten Bedingungen an einem Ort versammeln und dann auf die Statistik hoffen. Ganz selten wird eines der unzähligen Neutrinos doch einmal in Wechselwirkung mit der Materie im Detektor treten und einen beobachtbaren Effekt verursachen.

Sieht aus wie aus einem Science-Fiction-Film. Ist aber ein Neutrino-Detektor (Bild: A. B. McDonald (Queen's University) et al., The Sudbury Neutrino Observatory Institute Public Domain)

Sieht aus wie aus einem Science-Fiction-Film. Ist aber ein Neutrino-Detektor (Bild: A. B. McDonald (Queen’s University) et al., The Sudbury Neutrino Observatory Institute Public Domain)

Eines dieser Neutrino-Observatorien ist IceCube in der Antarktis. Wie der Name schon sagt handelt es sich dabei buchstäblich um einen gigantischen Eiswürfel mit einer Kantenlänge von einem Kilometer. Im Inneren des Eiswürfels wurden über 5000 Sensoren eingefroren, die seit 2010 darauf warten, dass eines der vielen Neutrinos mit einem der Moleküle des gefrorenen Wassers ins Wechselwirkung tritt. Wenn das passiert, kann es sich in ein “normales” Elementarteilchen umwandeln (zum Beispiel ein Myon) und weil sich das enorm schnell bewegt, erzeugt es einen Lichtblitz (mehr zu dieser “Tscherenkow-Strahlung” habe ich hier erklärt). Dieses Licht kann dann von den Sensoren registriert werden und eine genaue Analyse erlaubt Rückschlüsse auf Energie und Herkunft der Neutrinos.

Viele davon kommen von der Sonne aber manchen haben einen weiteren Weg zurück gelegt. Sie können außerhalb des Sonnensystems entstehen, wenn kosmische Strahlung auf das interstellare Gas trifft. Sie können aber auch aus anderen Galaxien bis zur Erde kommen! Im Zentrum jeder großen Galaxie sitzt ein supermassereiches schwarzes Loch und wenn in der Nähe des Lochs genügend Materie vorhanden ist, geht es dort richtig rund. Das ganze Material dreht sich in einer großen Scheibe um das Loch bevor es schließlich hinein stürzt (für Details siehe hier). Durch die dabei auftretenden enormen Geschwindigkeiten und die ebenso starken magnetischen Felder die dort herrschen wird starke Strahlung frei und es können hochenergetische Neutrinos entstehen. Sie haben so viel Energie, dass sie nicht aus der Sonne kommen können und sie kommen aus der falschen Richtung, um aus dem Gas unserer eigenen Galaxie stammen können.

Wir bauen einen Astronomie-Eiswürfel! Bohrarbeiten zu IceCube in der Antarktis (Bild: Amble, CC-BY-SA 3.0)

Wir bauen einen Astronomie-Eiswürfel! Bohrarbeiten zu IceCube in der Antarktis (Bild: Amble, CC-BY-SA 3.0)

Diese weitgereisten Elementarteilchen können uns einen völlig anderen Blick auf die fernen Himmelskörper und die dort ablaufenden Prozesse bieten als es das normale Licht kann, das unsere Teleskope auffangen. Die Beobachtung von Neutrinos mag zwar mühsam sein und noch sind wir nur in der Lage, einen verschwindend geringen Bruchteil all dessen zu sehen, was im “Neutrinolicht” sichtbar wäre. Aber ein Anfang ist gemacht und darauf kommt es an. Wer weiß, was den Astronomen der Zukunft alles noch einfällt. Wenn sie auch nur annähernd so kreativ sind, wie ihre Kollegen aus der Gegenwart, dann habe ich aber keinerlei Sorgen. Denn wir haben immerhin die Idee gehabt, einen gigantischen Eiswürfel in der Antarktis zur Beobachtung ferner Galaxien zu benutzen!

P.S. Die Inspiration zu diesem kurzen Text habe ich bei der Lektüre der kürzlich veröffentlichten Arbeit “Neutrinos in IceCube from AGN’s” bekommen. Die ist zwar in schlechtem Englisch verfasst und in keiner Fachzeitschrift erschienen, aber zumindest sehr faszinierend.

Kommentare (35)

  1. #1 Siskin
    4. November 2014

    neutrinos selbst kann ma nicht sehn, hören, schmecken oder sonst wie erkennen .. man erkennt nur die ergebnisse der wechselwirkung … woher weiß man eigentlich woher das neutrino kam, wenn ma die wechselwirkung entdeckt … kann das ergebnisteilchen, das daraus entsteht, wirklich so genau darüber auskunft geben?

  2. #2 krypto
    4. November 2014

    @Siskin#1: Wegen der Impulserhaltung kann man die grobe Ursprungsrichtung und Energie ermitteln: Es wird kein Lichtpunkt, sondern ein Blitz registriert von einigen der 5000 Sensoren.

  3. #3 Florian Freistetter
    4. November 2014

    @Siskin: Wie man Teilchen detektiert, die eigentlich “gar nicht da” sind, weil sie zB sofort zerfallen, habe ich hier beschrieben: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/11/07/wie-das-higgsteilchen-entdeckt-werden-wird-falls-es-entdeckt-wird/

    Aber man weiß ja, was bei verschiedenen Wechselwirkungen verschiedener Neutrinos passieren muss und kann das dann entsprechend zurück berechnen. Insofern funktioniert das schon.

  4. #4 Pilot Pirx
    4. November 2014

    Wie sagte mein alter Physiklehrer über die Möglichkeit, Neutrinos dingfest zu machen( Ende der 70er)?
    Geh durch die tiefste Sahara und such da einen Puinguinzüchter.

  5. #5 Pilot Pirx
    4. November 2014

    Pardon: Pinguinzüchter

  6. #6 JaJoHa
    4. November 2014

    @Siskin
    Neutrinos tragen Impuls und der Wechselwirkungsprozess erhält den Impuls, der wird nur umverteilt. Der Wechselwirkungspartner ist praktisch in Ruhe, hat also fast keinen Impuls. Das Problem ist jetzt, das man 1 bis 2 Teilchen (je nachdem, was passiert ist) nicht sehen kann. Falls man nur ein Teilchen (das einlaufende Neutrino) nicht sieht ist das relativ einfach, weil es nur eine Unbekannte gibt. Falls bei dem Prozess allerdings mehr als 1 Neutrino beteiligt ist (z.B. Neutrino an Elektron streuuen), dann kannst du normalerweise nur noch Wahrscheinlichkeiten angeben und die Richtung ist weniger genau bestimmbar.
    Das der Auslöser ein Neutrino war kann man zum Beispiel daran erkennen, das kein “sichtbares” (=geladenes) Teilchen von außen in den Detektor gelaufen ist, sowie das Energie und Impuls nicht zu Radioaktivität passt.

  7. #7 Sternenfreundin
    4. November 2014

    Sehr interressant, was die Astronomen alles versuchen! Es gibt ja auch neutrino-detektoren in der erde, gibt es da einen unterschied, ob diese sich in der erde oder im eis befinden? Wie schnell wäre so ein weitgereistes neutrino unterwegs?

  8. #8 JaJoHa
    4. November 2014

    @Sternenfreundin
    Für fast alle Überlegungen sind Neutrinos masselos und lichtschnell. Man kann nur ein oberes Limit angeben, für Elektronneutrinos liegt das bei 2eV/c².
    Neutrinooszillationen legen zwar eine Ruhemasse nahe, aber die ist derzeit nicht messbar.

    Ob so ein Experiment jetzt unter der Erde oder im Eis ist sagt erstmal nicht so viel aus. Wichtiger ist, wie der Nachweis erfolgt. Experimente wie IceCube oder Kamiokande funktionieren über Tscherenkow-Strahlung. Andere wie das Experiment in der Homestake Mine Nutzen andere Prozesse zum Nachweis.
    Die Experimente sind ja tief unter der Oberfläche um möglichst wenig störende Strahlung (zum Beispiel µ aus der kosmischen Strahlung) zu haben.

  9. #9 Alderamin
    4. November 2014

    @Sternenfreundin

    gibt es da einen unterschied, ob diese sich in der erde oder im eis befinden?

    Man braucht eine Abschirmung von anderer kosmischer Strahlung und ein durchsichtiges, reines Medium, in dem man die Tscherenkow-Strahlung zwischen den Detektoren beobachten kann. Da man sehr viel Medium braucht, bietet sich Wasser an. Man kann also einen Tank unter einem Berg verwenden, oder Sensoren hinreichend tief ins Meer versenken, oder aber im Eis einfrieren lassen, wenn es schön klar ist – Wasser schirmt auch andere Teilchen ab (Neutrinos lassen sich nicht abschirmen, deswegen kommen die dann bis zum Detektor durch). Alles ist denkbar (und wurde auch umgesetzt)

    Neutrinos sind mit praktisch Lichtgeschwindigkeit unterwegs (nicht ganz, sie müssen eine kleine Masse haben, anonsten könnten sich die drei Neutrinoarten nicht ineinander umwandeln).

    Die Neutrinos von der Supernova in der Großen Magellanschen Wolke waren ein paar Stunden früher als der Blitz der Explosion da, was daran lag, dass sie den im Kern kollabierenden Stern ohne Verzögerung verlassen konnten, während sich die Schockfront erst nach draußen durch den Stern hindurcharbeiten musste. Bei 170000 Lichtjahren Entfernung ist das nicht viel Laufzeitunterschied.

  10. #10 Sternenfreundin
    4. November 2014

    @JaJoHa
    @Alderamin
    Danke für eure ausführliche antwort!

  11. #11 Chemiker
    4. November 2014

    Die Neutrinos von der Supernova in der Großen Magellanschen Wolke waren ein paar Stunden früher als der Blitz der Explosion da

    Könnte man, wenn heute so ein Ereignis auftritt, die Neutrino­­detektoren dazu nützen, Astronomen zu alarmieren, damit die die Supernova von Anfang an beobachten können?

  12. #12 Alderamin
    4. November 2014

    @Chemiker

    Ja.

  13. #13 Chemiker
    4. November 2014

    @ Alderamin

    Danke für die prompte Antwort. Bleibt nur noch die schmerz­hafte Erkenntnis, daß die Galaxis im Schnitt nur alle paar hundert Jahre so ein Feuer­werk ver­anstaltet (und wenn sie es tut, dann auf der falschen Hemi­sphäre, diocane!).

  14. #14 Franz
    5. November 2014

    Beißt sich da nicht die Theorie in den Schwanz ? Man definiert ein Model eines Neutrinos und deren Interaktionen und nimmt dann dieses Model um aus den Interaktionen zu definieren, dass es sich um ein Neutrino handelt ?
    Wäre das nicht so wie wenn ich definiere, dieses Tier ist ein Hund weil es bellt und dann sage, aha es bellt, also ist es ein Hund ?

  15. #15 Florian Freistetter
    5. November 2014

    @Franz: “Beißt sich da nicht die Theorie in den Schwanz ? Man definiert ein Model eines Neutrinos und deren Interaktionen und nimmt dann dieses Model um aus den Interaktionen zu definieren, dass es sich um ein Neutrino handelt ?”

    Man weiß schon, dass es Neutrinos tatsächlich gibt. Deren Existenz wurde ja nicht aus irgendwelchen Interaktionen gefolgert, sondern aus theoretischen Vorhersagen. Und wenn man die Neutrinos ignoriert, dann würde man bei vielen Teilchenkollisionen sehen, dass am Ende etwas fehlt. Weil eben ein Teil der Energie von den Neutrinos abtransportiert wird.

  16. #16 Alderamin
    5. November 2014

    @alle Physiker

    Worin unterscheiden sich eigentlich genau die drei Neutrinoarten? Alle haben den gleichen Spin, die Masse kennt niemand genau, alle wechselwirken schwach. Wo ist der Unterschied? In Wikipedia steht nichts dazu.

  17. #17 StefanL
    5. November 2014

    @Alderamin
    zwar kein Physiker aber DIES hilft nicht?

  18. #19 Ralph
    5. November 2014

    @Neutrinooszillation
    alles klar, Neutrinos gibt’s, ähnlich wie Speiseeis, in verschiedenen Geschmacksrichtungen:-)

    Ich fürchte in dieses Thema muss man etwas tiefer einsteigen und mehr als eine Mittagspause zum nachlesen opfern. Ob man dann mehr begriffen hat, oder einfach mehr Detailwissen bezüglich des derzeitigen Forschzunsstands parat hat, vermag ich nicht zu beurteilen.

  19. #20 Alderamin
    5. November 2014

    @StefanL

    Doch, (krass) verschiedene Massen anscheinend. Interessant, wie die Neutrinos dann einfach so zwischen verschiedenen Massen hin- und her wechseln können. Dann müssten sie ja eigentlich ihre kinetische Energie ändern, irgendwo muss die Masse ja bleiben/wieder herkommen. Soweit ich verstanden habe sind da keine anderen Teilchen beteiligt, die Neutrinos von der Sonne wandeln sich spontan unterwegs zur Erde im leeren Raum in die verschiedenen Arten um, weshalb nur ein Drittel von ihnen in den ersten Experimenten gefunden werden konnte.

    Kann das jemand näher erläutern?

  20. #21 Ralph
    5. November 2014

    Ein phantastisches Experiment. Schon allein die Vorstellung eines hinreichend transpararenten Eiswürfels mit 1 km Kantenlänge ist unglaublich.
    Erstaunlich gut erklärt wird das Experiment mal wieder in der englischen Wikeipedia:
    http://en.wikipedia.org/wiki/IceCube_Neutrino_Observatory

  21. #22 JaJoHa
    5. November 2014

    @Alderamin
    Soweit ich mich erinnere ist der Hauptunterschied, das die nur an ihr zugehöriges, geladenes Lepton (und natürlich W/Z) koppeln. Wie Ralph schon sagte, die haben einen Flavor der in der Wechselwirkung erhalten ist.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Leptonenzahl
    Wenn du ein Elektronneutrino hast und das macht eine WW, dann wird als Ergebnis wieder ein Elektron oder ein Elektronneutrino rauskommen. Dazwischen können die aber Oszillieren, so was ähnliches machen zum Beispiel auch K-Mesonen (Stichwort NA-48 und CP-Verletzung) und einige andere Mesonen.

    Bei den Massen musst du aufpassen, das sind alle nur die oberen Limits (üblicherweise 90 oder 95 %CL). Das ist für das Elektronneutrino am niedrigsten, weil du das am besten messen kannst (Tritiumzerfall). Schau mal in #8 im ersten Link, da sind die aktuellen Werte.
    De sind halt sehr schwer zu fassen.

  22. #23 Alderamin
    5. November 2014

    @Ralph

    Das mit der Transparenz finde ich auch erstaunlich, wobei ich denke, es reicht, wenn das Licht bis zu den nächsten Detektoren gelangt. Ich finde es auch überraschend, dass man die Detektoren im Eis einfrieren lässt, wo man sie nicht mehr zur Wartung erreichen kann, statt sie im Meer an langen Leinen zu versenken (gibt’s ja auch).

  23. #24 Alderamin
    5. November 2014

    @JaJoHa

    Danke für den Link. Aus dem habe ich verstanden:

    – die Leptonenzahl ist sowas wie eine Ladung
    – sie ist im allgemeinen bei Wechselwirkungen eine Erhaltungsgröße
    – Elektronen, Myonen und Tauonen haben die Leptonenzahl +1, ihre Antiteilchen -1
    – Neutrinos kann man nicht einfach eine Leptonenzahl zuordnen

    Was der “Flavour” dann eigentlich ist, habe ich noch nicht verstanden. So was wie ein Anregungszustand?

    Es gibt auch einen Wiki-Artikel über Neutrinooszillationen, der ist aber komplett unverständlich, weil er irgendwelche imaginäre Masseneigenzustände aus dem Hut zaubert, die sich wie Richtungsvektoren in einem Koordinatensystem gebärden (aha, Masse ist also eine komplexe Zahl?), die aber ansonsten nicht motiviert werden. Vielleicht ist das Thema dann doch zu kompliziert für mich…

  24. #25 Reggid
    5. November 2014

    @Alderamin

    1) die verschiedenen neutrino flavor zustände (also elektron-, myon, und tau-neutrino) unterscheiden sich dadurch mit welchem geleadnen lepton (also elektron, myon und tau) sie wechselwirken. das ist die definition von elektron-, myon und tau-neutrino.

    darüber hinaus weiß man heute dass die neutrinos massen haben, und dass die masseneigenzustände (meist genannte nu1, nu2, und nu3) NICHT gleich den flavoreigenzuständen sind.

    masseneigenzustand: ein neutrino mit masse m1 (oder m2, m3)

    flavoreigenzustand: ein neutrino, welches mit einem elektron wechselwirkt (oder myon oder tau)

    ein flavoreigenzustand ist eine superposition aus den verschiednen masseneigenzuständen (und umgekehrt).

    so gesehen macht es auch überhaupt keinen sinn von der “masse eines elektronneutrinos” zu sprechen. denn was wir ein elektronneutrino nennen ist ein superposition aus drei zuständen mit drei verschiednen massen. meist ist mit der “masse eines elektronneutrinos” nur gemeint, die obere grenze für die masse die wir in experimenten mit elektronneutrinos (z.B. beta-zerall) angeben können. da experimente mit myonen und taus weit weniger präzise sind kommt man hierbei dann auf sehr große obere grenzen für die “massen von myon- und tau-neutrino”. ist aber völlig irrelevant, da wir wissen dass alle drei massen (der masseneigenzustände, nicht der flavoreigenzustände) extrem klein sind.

    2) die massenunterschiede der einzelnen neutrino (-masseneigenzusände) sind winzig winzig klein. da die neutrinos in ihrer energie und ihrem impuls eine gewissen unschärfe haben (wie jedes quantenmechanische objekt), können auch mehrer masseneigenzustände gleichzeitig propagieren. dabei gibt es dann interferenzeffekte, sodass die überlagerung aus den drei masseneigenzuständen einmal mehr aussieht wie ein elektronneutrino, einmal wieder mehr wie ein myonneutrino. das ist neutrino-oszillation.

    könntest du energie und impuls eines neutrinos so genau festlegen dass dadurch nur mehr ein masseneigenzustand möglich ist (praktisch unmöglich aber man kanns ja mal annehmen), dann hast du auch keine neutrino-oszillation mehr. analogie doppelspaltexperiment: wenn du beide spalte als möglichkeit hast dann hast du interferenzerscheinungen, wenn du den weg auf einen spalt einschränkst dann natürlich nicht mehr. dasselbe bei neutrino-oszillationen: solange mehrer masseneigenzustände gleichzeitig erlaubt sind hast du oszillationen (nichts anderes als interferenzeffekte), wenn du dich auf einen masseneigenzustand beschränkst dann verschwindnen sie (wobei zweiteres szenario praktsich niemals umsetzbar ist)

  25. #26 Alderamin
    5. November 2014

    @Reggid

    Danke. Ich glaube die Idee verstanden zu haben. Der Flavour ist eine Superposition aus drei Massenwerten. Stranges Konzept. Und dabei werden vermutlich nur bestimmte gequantelte Kombinationen angenommen, die dann die drei Neutrinoarten sind.

    Ich frag’ aber lieber nicht, warum welche Überlagerung gerade mit welchem Lepton wechselwirkt.

  26. #27 JaJoHa
    5. November 2014

    @Alderamin
    Wie fit bist du in linearer Algebra und Quantenmechanik? Schau mal an, wie das bei Operatoren ist, insbesondere wenn sie nicht kommutieren. Das könnte dir weiterhelfen, weil das immer dann der Fall ist wenn sie unterschiedliche Eigenzustände haben.
    Das sollte so funktionieren wie die indirekte CP-Verletzung beim Mischen von Mesonen .
    Zu deinem Link, wo hast du Fragen? Vieleicht kann man dir ja weiterhelfen.

  27. #28 Reggid
    5. November 2014

    @Alderamin

    “flavor” ist in der teilchphysik erstmal ein anderes wort für “sorte” (bezüglich der schwachen wechselwirkung). die unterschiedlichn quark”sorten” (up, down, strange,…) bezeichnet man als unterschiedliche flavors, dasselbe für unterschiedlich lepton”sorten” (elektron, myon,…).

    dass für neutrinos die einzelnen flavors superpositionen aus drei masseneigenzuständen sind müsste nicht unbedingt so sein (für die geladenen leptonen ist das z.B. auch nicht so), es hat sich halt im laufe der zeit herausgestellt dass es so ist.

    warum welche überlagerung genau welchem flavoreigenzustand entspricht kannst du gerne fragen, nur wird dir niemand darauf eine antwort geben können.

  28. #29 Alderamin
    5. November 2014

    @Reggid

    Bei den Quarks verstehe ich das Konzept der Flavours besser, weil diese sich in Masse, in Farbladung und elektrischer Ladung unterscheiden. Beim Myon und Tauon ist die Masse eine andere als beim Elektron.

    Bei den Neutrinos war ich auf der Suche nach den Parametern, nach denen sie sich voneinander unterscheiden. Offenbar erschöpft sich dies in der Eigenschaft, dass bestimmte Neutrinos eben nur mit bestimmten Leptonen wechselwirken. Dann ist das eben so.

    Vielen Dank für Deine Erläuterungen, Frage ist somit geklärt.

  29. […] Astrodicticum Simplex beschreibt den wohl größten Eiswürfel der Welt: Nicht weil er einfach toll ist, sondern weil Wissenschaftler ihn zur Forschung verwenden. Er ist nämlich eine Neutrinofalle. […]

  30. #31 Zorro
    7. November 2014

    Bei auftretenden Scherkräften innerhalb des Eis – Kubus, z.B. bei Erdbeben wird es vmtl. zu grösseren Problemen mit den elektrischen Leitungen kommen.

    Gibt es eine Prognose für die voraussichtliche Lebensdauer?

  31. #32 Reggid
    7. November 2014

    @Alderamin

    streng genommen sind auch bei den quarks die masseneigenzustände nicht gleich den flavoreigenzuständen.

    aber im unterschied zu den neutrinos sind hier die massenunterschiede viel größer (so dass es zu keiner oszillation kommt) und jeder flavoreigenzustand entspricht fast exakt einem masseneigenzustand mit nur ganz kleinen “beimischungen” der anderen massen, während bei den neutrinos diese mischung viel gleichmäßiger ist und man daher nicht mehr einem flavor eine masse zuordnen kann.

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  34. […] überhaupt nicht zeigt. Aber in der Antarktis ist es genau anders herum! Und dort lässt sich auch jede Menge gute Astronomie durchführen!, […]