Die Ursprünge des hochenergetischen Neutrinos wurden zum ersten Mal verfolgt und ein wichtiges astronomisches Rätsel gelöst
Um mehr zu verstehen und zu erfahren Energie oder Materie ist das Studium der mysteriösen subatomaren Teilchen sehr wichtig. Physiker betrachten subatomare Teilchen – Neutrinos – um ein besseres Verständnis der verschiedenen Ereignisse und Prozesse zu erlangen, aus denen sie hervorgegangen sind. Wir wissen über Sterne und insbesondere die Sonne Bescheid, indem wir Neutrinos studieren. Es gibt so viel mehr über das Universum zu lernen und zu verstehen, wie Neutrinos funktionieren, ist der wichtigste Schritt für jeden Wissenschaftler, der sich für Physik und Astronomie interessiert.
Was sind Neutrinos?
Neutrinos sind dampfförmige (und sehr flüchtige) Teilchen mit fast keiner Masse, keiner elektrischen Ladung und sie können jede Art von Materie durchdringen, ohne dass sie sich selbst verändern. Neutrinos können dies erreichen, indem sie extremen Bedingungen und dichten Umgebungen wie Sternen, Planeten und Galaxien standhalten. Eine wichtige Eigenschaft von Neutrinos besteht darin, dass sie niemals mit der Materie in ihrer Umgebung interagieren, was ihre Analyse sehr schwierig macht. Außerdem existieren sie in drei „Geschmacksrichtungen“ – Elektron, Tau und Myon – und sie wechseln zwischen diesen Geschmacksrichtungen, wenn sie oszillieren. Dies wird als „Mischungsphänomen“ bezeichnet und ist der seltsamste Untersuchungsbereich bei der Durchführung von Experimenten mit Neutrinos. Das stärkste Merkmal von Neutrinos ist, dass sie einzigartige Informationen über ihren genauen Ursprung enthalten. Dies liegt vor allem daran, dass Neutrinos zwar hochenergetisch sind, aber keine Ladung besitzen und daher von Magnetfeldern jeglicher Stärke unbeeinflusst bleiben. Der Ursprung der Neutrinos ist nicht vollständig geklärt. Die meisten von ihnen stammen von der Sonne, aber eine kleine Anzahl, insbesondere diejenigen mit hoher Energie, stammen aus tieferen Regionen des Weltraums. Aus diesem Grund war der genaue Ursprung dieser schwer fassbaren Wanderer noch unbekannt und sie werden als „Geisterteilchen“ bezeichnet.
Herkunft des hochenergetischen Neutrinos verfolgt
In bahnbrechenden Zwillingsstudien in der Astronomie veröffentlicht in Wissenschafthaben Forscher zum ersten Mal den Ursprung eines geisterhaften subatomaren Teilchenneutrinos verfolgt, das tief im Eis der Antarktis gefunden wurde, nachdem es 3.7 Milliarden Jahre zum Planeten Erde gereist war1,2. Diese Arbeit wird durch eine Zusammenarbeit von über 300 Wissenschaftlern und 49 Institutionen erreicht. Hochenergetische Neutrinos wurden vom größten IceCube-Detektor aller Zeiten entdeckt, der am Südpol vom IceCube Neutrino-Observatorium tief in den Eisschichten aufgestellt wurde. Um ihr Ziel zu erreichen, wurden 86 Löcher ins Eis gebohrt, die jeweils anderthalb Meilen tief sind und sich über ein Netzwerk von mehr als 5000 Lichtsensoren verteilen und so eine Gesamtfläche von 1 Kubikkilometer abdecken. Der IceCube-Detektor, der von der US-amerikanischen National Science Foundation verwaltet wird, ist ein riesiger Detektor, der aus 86 Kabeln besteht, die in Bohrlöchern bis in tiefes Eis geführt werden. Die Detektoren zeichnen das spezielle blaue Licht auf, das bei der Wechselwirkung eines Neutrinos mit einem Atomkern emittiert wird. Viele hochenergetische Neutrinos wurden entdeckt, aber sie waren nicht auffindbar, bis ein Neutrino mit einer Energie von 300 Billionen Elektronenvolt erfolgreich unter einer Eiskappe nachgewiesen wurde. Diese Energie ist fast 50-mal größer als die Energie der Protonen, die durch den Large Hardon Collider, den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger auf diesem Planeten, kreisen. Nachdem diese Entdeckung gemacht war, sammelte und kompilierte ein Echtzeitsystem methodisch Daten für das gesamte elektromagnetische Spektrum aus Labors auf der Erde und im Weltraum über den Ursprung dieses Neutrinos.
Das Neutrino wurde erfolgreich auf eine leuchtende Galaxie zurückgeführt, die als „Blazer“ bekannt ist. Blazer ist eine gigantische elliptische aktive Galaxie mit zwei Jets, die Neutrinos und Gammastrahlen aussenden. Es hat ein charakteristisches supermassives und sich schnell drehendes Schwarzes Loch in seinem Zentrum und die Galaxie bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zu. Einer der Jets des Blazers hat einen gleißend hellen Charakter und zeigt direkt auf die Erde, was dieser Galaxie ihren Namen gibt. Die Blazer-Galaxie befindet sich links vom Sternbild Orion und diese Entfernung beträgt etwa 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde. Sowohl Neutrinos als auch Gammastrahlen wurden vom Observatorium sowie insgesamt 20 Teleskopen auf der Erde und im Weltraum nachgewiesen. Diese erste Studie1 zeigte den Nachweis von Neutrinos und eine zweite Folgestudie2 zeigte, dass die Blazer-Galaxie diese Neutrinos früher auch in den Jahren 2014 und 2015 produziert hatte. Der Blazer ist definitiv eine Quelle von extrem energiereichen Neutrinos und damit auch von kosmischer Strahlung.
Bahnbrechende Entdeckung in der Astronomie
Die Entdeckung dieser Neutrinos ist ein großer Erfolg und kann das Studium und die Beobachtung des Universums auf unübertroffene Weise ermöglichen. Wissenschaftler geben an, dass diese Entdeckung ihnen helfen könnte, zum ersten Mal die Ursprünge der mysteriösen kosmischen Strahlung zurückzuverfolgen. Diese Strahlen sind Fragmente von Atomen, die von außerhalb des Sonnensystems mit Lichtgeschwindigkeit auf die Erde kommen. Ihnen wird vorgeworfen, dass sie Satelliten, Kommunikationssystemen usw. Probleme bereiten. Im Gegensatz zu Neutrinos handelt es sich bei der kosmischen Strahlung um geladene Teilchen, sodass Magnetfelder ihre Bahn ständig beeinflussen und ändern, was es unmöglich macht, ihren Ursprung zurückzuverfolgen. Kosmische Strahlung ist seit langem Gegenstand der Forschung in der Astronomie und obwohl sie 1912 entdeckt wurde, bleibt die kosmische Strahlung ein großes Rätsel.
In Zukunft kann ein Neutrino-Observatorium in größerem Maßstab, das eine ähnliche Infrastruktur wie in dieser Studie verwendet, schnellere Ergebnisse erzielen und mehr Nachweise machen, um neue Neutrinosquellen aufzudecken. Diese Studie, die durch die Aufzeichnung mehrerer Beobachtungen und die Kenntnisnahme von Daten aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum durchgeführt wurde, ist entscheidend, um unser Verständnis des Universums und die Mechanismen der Physik, die es regeln, zu verbessern. Es ist ein hervorragendes Beispiel für die „Multimessenger“-Astronomie, die mindestens zwei verschiedene Arten von Signalen verwendet, um den Kosmos zu untersuchen, was sie bei der Ermöglichung solcher Entdeckungen leistungsfähiger und genauer macht. Dieser Ansatz hat in der jüngeren Vergangenheit dazu beigetragen, die Kollision von Neutronensternen und auch Gravitationswellen zu entdecken. Jeder dieser Boten liefert uns neues Wissen über das Universum und mächtige Ereignisse in der Atmosphäre. Es kann auch helfen, mehr über die extremen Ereignisse zu verstehen, die vor Millionen von Jahren stattfanden, die diese Teilchen auf ihre Reise zur Erde brachten.
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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}
Quelle (n)
1.Die IceCube-Kollaboration et al. 2018. Multimessenger-Beobachtungen eines aufflackernden Blazars, der mit dem hochenergetischen Neutrino IceCube-170922A zusammenfällt. Wissenschaft. 361(6398). https://doi.org/10.1126/science.aat1378
2.Die IceCube-Kollaboration et al. 2018. Neutrino-Emission aus Richtung des Blazars TXS 0506+056 vor dem IceCube-170922A-Alarm. Wissenschaft. 361(6398). https://doi.org/10.1126/science.aat2890
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