Das Intensitäts-Maximum extragalaktischer Neutrinos
Auswertung großer IceCube-Datenmengen grenzt Erzeugungsmechanismus der schwer fassbaren Teilchen ein.
Forschende am IceCube-Experiment haben viele Jahre Beobachtungszeit ausgewertet und dabei eine Intensitätsspitze im Energiespektrum der hochenergetischen Neutrinos identifiziert, die aus den Tiefen des Alls auf der Erde eintreffen. Das Ergebnis grenzt viel genauer ein, wo und wie diese schwer fassbaren Teilchen erzeugt werden. Das wiederum hilft, mehr über jene Regionen im Weltraum zu erfahren, aus denen hochenergetische Neutrinos stammen.
„Zum ersten Mal sehen wir tatsächlich eine Struktur im Energiespektrum“, erklärt DESY-Wissenschaftler Markus Ackermann, der den DESY-Teil der Analyse geleitet hat. „Wir sehen, wie die Intensität der Neutrinos bis zu einem Punkt bei einer Energie von etwa 30 TeV ansteigt und dann wieder abnimmt. Das bedeutet, dass wir die Energie gefunden haben, bei der die Neutrinoemission im Universum am stärksten ist.“ Das Energiespektrum verrät dem internationalen IceCube-Team, wie viele Neutrinos welcher Energie sie sehen. Diese Information erlaubt Rückschlüsse darauf, unter welchen Bedingungen sie erzeugt werden, aus welchen physikalischen Prozessen sie hervorgegangen sind und wie viel Energie insgesamt in Form von Neutrinos abgestrahlt wird.
Zwei unabhängige Teams innerhalb der IceCube-Kollaboration – eines mit Wissenschaftlern von DESY und der RWTH Aachen, eines von der University of Wisconsin-Madison – haben sich Daten des IceCube-
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Das Ergebnis ist das erste in einer Reihe von Analysen, die voraussichtlich zu Referenzwerkzeugen für die Diagnostik der Teilchenbeschleunigung in extremen kosmischen Umgebungen werden – etwa in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher oder in Jets, die Teilchen ins All schleudern. Hochenergetische Neutrinos, die IceCube 2013 zum ersten Mal beobachtet hat, sind unsere einzige direkte Möglichkeit diese extremen Umgebungen bei Energien von mehreren Tera-Elektronenvolt und mehr zu beobachten, weil Gammastrahlung solcher Energien von dort nicht bis zu uns durchdringt.
Hochenergetische Neutrinos entstehen, wenn Teilchen, die durch die extremen Kräfte in solchen kosmischen Umgebungen erzeugt und beschleunigt werden, auf etwas anderes treffen – etwa ein Gasatom oder ein Photon. Die Form des Energiespektrums und die Lage der Intensitätsspitze ermöglichen es den Forschenden, viele theoretische Quellmodelle auszuschließen. So können sie sich auf diejenigen konzentrieren, die die nötigen Beschleunigungsmechanismen und Umgebungsbedingungen liefern, um das beobachtete Spektrum mit einer maximalen Intensität bei 30 TeV zu erzeugen. „Die Daten ermöglichen es uns, unsere Modelle zur Erzeugung dieser Neutrinos zu verbessern und die Produktionsprozesse und Quellklassen deutlich besser einzugrenzen als bisher“, sagt Ackermann. „Jetzt, da wir die Spitze der Intensität sehen, wird vieles wesentlich konkreter – wie die Neutrinoquellen funktionieren, welche Prozesse die Neutrinos erzeugen und wie Teilchen in diesen Quellen beschleunigt werden.“
„Die Ergebnisse sind ein wichtiger erster Schritt. In Zukunft wollen wir Spektral- und Kompositionsmessungen kombinieren, um Einblicke in die Magnetfelder und andere Eigenschaften der kosmischen Beschleuniger zu gewinnen", sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor für Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin. „Dieses Ergebnis basiert auf Daten, die IceCube über einen Zeitraum von zehn Jahren gesammelt hat. Um die Funktionsweise dieser Beschleuniger wirklich aufzuklären, brauchen wir allerdings IceCube-Gen2."
Das geplante Observatorium IceCube-Gen2, das von der deutschen Bundesregierung als nationales Forschungsschwerpunktprojekt eingestuft wurde, soll den bestehenden IceCube-Detektor am Südpol deutlich erweitern und ein einzigartiges Neutrino-Observatorium mit einer weltweit führenden Empfindlichkeit über zehn Größenordnungen im Energiebereich schaffen.
„DESY hat die hochenergetische Neutrinoastronomie mitbegründet und wesentlich zu IceCube beigetragen", sagt DESY-Direktor für Astroteilchenphysik Christian Stegmann. „Diese neuen Ergebnisse, die unser Verständnis des hochenergetischen Universums erheblich vertiefen, verfolgen wir daher mit besonders großer Spannung." [DESY / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikationen
R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration), Evidence for a Spectral Break or Curvature in the Spectrum of Astrophysical Neutrinos from 5 TeV to 10 PeV, Phys. Rev. Lett. 136, 121002, 26. März 2026; DOI: 10.1103/2gh9-d4q7
R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration), Improved measurements of the TeV-PeV extragalactic neutrino spectrum from joint analyses of IceCube tracks and cascades, Phys. Rev. D 113, 062002, 26. März 2026; DOI: 10.1103/4n6v-r7n4 - IceCube Neutrino Observatory, University of Wisconsin, Madison
- The IceCube Neutrino Observatory (Marek Kowalski), Experimentelle Elementarteilchenphysik, Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin
- Neutrino Astronomy Group (Markus Ackermann), DESY, Zeuthen
Anbieter
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESYNotkestraße 85
22607 Hamburg
Deutschland
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