IceCube erkennt hochenergetische Neutrinos aus der Milchstraße – Welt der Physik

Zum ersten Mal wurden hochenergetische Neutrinos aus der Milchstraße gesichtet. Das geht aus neuen Erkenntnissen des IceCube Neutrino-Observatorium an der Amundsen-Scott-Südpolstation, die einen neuen Weg der Multi-Messenger-Astronomie eröffnen, indem sie die Milchstraße in Teilchen statt in Licht beobachten.

Neutrinos sind fundamentale Teilchen, die sehr kleine Massen haben und kaum mit anderer Materie interagieren, aber sie füllen das Universum mit Billionen, die jede Sekunde harmlos durch Ihren Körper wandern.

Zuvor wurden Neutrinos aus extragalaktischen Quellen wie Quasaren entdeckt, die milliardenfach energiereicher sind als diejenigen, die durch Fusionsreaktionen in unserer Sonne erzeugt werden. Die Theorie geht jedoch davon aus, dass auch in der Milchstraße hochenergetische Neutrinos entstehen sollten.

Wenn Astronomen die Ebene unserer Galaxie betrachten, sehen sie, wie die Milchstraße von Gammastrahlenemissionen erleuchtet wird, die entstehen, wenn kosmische Strahlung, die vom Magnetfeld unserer Galaxie eingefangen wird, mit Atomen im interstellaren Raum kollidiert. Bei diesen Kollisionen sollten auch hochenergetische Neutrinos entstehen.

Forscher haben nun endlich überzeugende Beweise für diese Neutrinos gefunden, indem sie mithilfe maschineller Lerntechniken Zehn-Jahres-Daten des IceCube-Neutrino-Observatoriums durchgesehen haben, die rund 60 Neutrino-Ereignisse umfassen. „[Genau wie Gammastrahlen] sind die Neutrinos, die wir beobachten, über die galaktische Ebene verteilt“, sagt Franz Halzen von der University of Wisconsin-Madison, der leitende Forscher von IceCube.

Kaskadenereignisse

Der IceCube-Detektor besteht aus einem Kubikkilometer Eis, der unter dem Südpol vergraben ist, und ist mit 5160 optischen Sensoren durchzogen, die in den seltenen Fällen, in denen ein Neutrino mit einem Wassereismolekül interagiert, auf Blitze sichtbaren Lichts achten. Wenn ein Neutrino-Ereignis auftritt, hinterlässt das Neutrino entweder eine verlängerte Spur oder ein „Kaskadenereignis“, bei dem die Energie des Neutrinos in einem kleinen, kugelförmigen Volumen im Eis konzentriert wird.

Wenn kosmische Strahlung mit Materie im interstellaren Medium interagiert, entstehen kurzlebige Pionen, die schnell zerfallen. „Geladene Pionen zerfallen in die von IceCube entdeckten Neutrinos und neutrale Pionen zerfallen in zwei Gammastrahlen, die vom Fermi [Gammastrahlen-Weltraumteleskop] der NASA beobachtet werden“, sagte Halzen Physik-Welt.

Die Neutrinos waren zuvor unentdeckt geblieben, weil sie von einem Hintergrundsignal aus Neutrinos und Myonen übertönt wurden, das durch Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung viel näher an ihrem Heimatort, in der Erdatmosphäre, verursacht wurde.

IceCube erkennt hochenergetische Neutrinos aus einem aktiven galaktischen Kern

Dieser Hintergrund hinterlässt Spuren, die in den Detektor gelangen, wohingegen die Neutrinos mit höherer Energie aus der Milchstraße eher Kaskadenereignisse erzeugen. Der von IceCube-Wissenschaftlern an der TU Dortmund in Deutschland entwickelte Algorithmus für maschinelles Lernen konnte nur Kaskadenereignisse auswählen, wodurch ein Großteil der lokalen Interferenzen entfernt wurde und das Signal der Milchstraße hervorstechen konnte.

Obwohl es schwieriger ist, Informationen über die Richtung zu erhalten, aus der ein Neutrino in einem Kaskadenereignis gekommen ist, sagt Halzen, dass Kaskadenereignisse mit einer Genauigkeit von „ungefähr fünf Grad“ rekonstruiert werden können. Obwohl dies die Identifizierung spezifischer Neutrinoquellen in der Milchstraße ausschließt, reicht es laut Halzen aus, das Strahlungsmuster der Galaxie zu beobachten und es mit dem vom Fermi-Weltraumteleskop beobachteten Gammastrahlenmuster abzugleichen.

Der nächste Schritt für das Team besteht darin, spezifische Neutrinoquellen in der Milchstraße zu identifizieren. Dies könnte mit dem überarbeiteten IceCube mit dem Namen möglich sein Gen2, wodurch sich die Detektorfläche auf zehn Kubikkilometer Eis vergrößern wird, wenn sie bis 2032 vollständig betriebsbereit ist.

Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/icecube-detects-high-energy-neutrinos-from-within-the-milky-way/