Neutrino repéré avec la plus haute énergie jusqu’à présent

Manchmal hat man als Forscher auch Glück. So wie jetzt die rund 360 Mitglieder des Forscherteams, die das „Cubic Kilometer Neutrino Telescope“, kurz KM3NeT, im Mittelmeer aufbauen. Zwar liefert es bereits seit 2015 Daten, doch eigentlich ist das Instrument noch nicht ganz fertig, weswegen keiner der Wissenschaftler und Ingenieure damit rechnen konnte, so bald eine wichtige Beobachtung veröffentlichen zu können.

Doch genau das ist nun passiert. In der heutigen Ausgabe des Magazins „Nature“ verkündet das Team eine spektakuläre Entdeckung: das höchstenergetische Neutrino, das jemals nachgewiesen wurde. Es hat dreißigmal so viel Wumms wie der bisherige Rekordhalter.

Wobei der Wumms hier im Verhältnis gesehen werden muss. In der von den Elementarteilchenphysikern verwendeten Einheit hat das Partikel eine Energie von mindestens etwa 120 Petaelektronenvolt, wahrscheinlich aber rund das Doppelte. Ein Elektronenvolt ist etwa die Energie eines Lichtteilchens im nahen Infrarot, also der Wärmestrahlung, und „Peta“ bedeutet tausendmal so viel wie „Tera“, eine mittlerweile den meisten aus der Welt der Datenspeicher geläufige Vorsilbe, die „Billion“ bedeutet. 120 Petaelektronenvolt sind also 120 Billiarden Elektronenvolt.

Nach menschlichem Maß ist das eigentlich nicht viel – es entspricht etwa der Schallenergie eines geflüsterten Wortes. Aber es ist ziemlich viel für ein Elementarteilchen. Das energiereichste subatomare Partikel, das bisher nachgewiesen wurde, besaß zwar zweitausendmal so viel Energie, dabei hatte es sich aber mit Sicherheit um ein schweres und elektrisch geladenes sogenanntes Hadron gehandelt, also um ein Proton oder einen noch schwereren Atomkern. Das nun gemessene Teilchen ist aber ein Neutrino, gehört also zu den allerleichtesten bekannten Elementarteilchen, die überhaupt etwas wiegen.

Will man Neutrinos habhaft werden, bedarf es enormer Volumina an Detektormaterial, damit zumindest ab und an mal eines dieser Geisterteilchen, wie sie auch genannt werden, mit einem Atomkern reagiert. Im Fall von KM3NeT sind es der namensgebende Kubikkilometer Mittelmeerwasser, aufgeteilt auf bislang zwei Standorte, einer vor Südfrankreich, der andere 80 Kilometer vor dem Südostzipfel Siziliens. An Letzterem ging nun das kosmische Rekordneutrino ins Netz.

Das heißt, nicht direkt. Was nachgewiesen wurde, war ein anderes Elementarteilchen namens Myon, eine schwere und instabile Variante des Elektrons. Dieses Myon sauste vor genau zwei Jahren, in der Nacht zum 13. Februar 2023, durch die Tiefsee des Ionischen Meeres und erzeugte dabei einen Schauer aus kurzen blauen Lichtblitzen.

Sie waren zu kurz, als dass das menschliche Auge sie hätten wahrnehmen können, aber intensiv: Insgesamt 378 der 4140 der zu diesem Zeitpunkt bereits zu Wasser gelassenen und mit jeweils 31 Lichtsensoren bestückten Detektorkugeln des sizilianischen KM3NeT registrierten die blauen Blitze. Die hingen an Ketten zu jeweils 18 Kugeln in bis zu 3450 Metern Tiefe. Dorthin dringt kein bisschen Tageslicht mehr vor.

Le Myon du 13 février 2023 ne peut avoir été généré que par un neutrino – probablement à seulement quelques kilomètres à l’ouest du réseau de détectorn, probablement par effondrement avec le noyau atomique d’une molécule d’eau. Parce que le réseau est sensible à la direction et a signalé une idée du myon – et donc aussi le neutrino d’origine – d’une direction à 0,6 degrés au-dessus de l’horizon.

Afin de passer sous cet angle à l’emplacement du détecteur, les masses en pierre de Sicile ont dû être pénétrées comme une boule de fusil à l’avance. Quelque chose comme ça ne peut être qu’un neutrino. Et à partir de l’énergie du Myon d’environ 120 Petaelectron volts reconstruit à partir du flash de lumière, il s’ensuit que le neutrino doit avoir eu cette énergie au moins.

Comment la question se pose d’où elle vient. De l’espace – il n’y a aucun doute à ce sujet. Il y a aussi beaucoup de neutrinos du soleil et ceux qui sont générés par des particules cosmiques dans l’atmosphère terrestre – ils impossibles d’atteindre de telles énergies. 120 Petaelectron Volts est dix mille fois de ce qui pourrait être généré avec l’accélérateur de particules le plus fort au monde, et les vingt fois le neutrinos le plus riche en énergie qui était auparavant enregistré – qui était avec Detectararay iCube au pôle Sud en 2013. Icecube travaille de manière similaire à KM3NET, uniquement avec de la glace antarctique au lieu de l’eau de mer.

La sensibilité à la direction de KM3NET permet aux chercheurs de réduire l’origine à une grande région de himmente à l’échelle dans la constellation du serpent d’eau. Cependant, il n’y a apparemment aucun objet galactique qui pourrait créer de tels rivets d’énergie. Le neutrino sicilien doit provenir d’une autre galaxie.

Le plus probablement provenant d’une galaxie avec un noyau actif, où un trou noir super massif avale et a déjà accéléré certaines particules de matière sur d’énormes énergies. Parmi eux, des noyaux atomiques qui ont ensuite frappé d’autres matières et créent des neutrinos aussi élevés. Douze galaxies actives ont été trouvées dans le domaine, les chercheurs rapportent leur publication «nature».

Mais s’il y a des machines Hell Cosmic, pourquoi n’ont pas été enregistrées plus tôt, par exemple avec Icecube? Les chercheurs écrivent que les mesures pourraient certainement indiquer un “nouveau composant” parmi les neutrinos, qui sont acidifiés par le cosmos. Ce serait des neutrinos à partir d’un type complètement différent de sources astrophysiques que ce qui était considéré auparavant.

La particule désormais enregistrée pourrait également être le premier neutrino cosmogène ainsi appelé. Cela devrait se produire lorsqu’un proton à haute énergie rencontre un photon de rayonnement de fond cosmique. Il aurait bien sûr dû être tourné dans un noyau de galaxie actif, par exemple, mais a ensuite été envoyé sur des voies courbes par les nombreux champs magnétiques du cosmos, sur lesquels il a perdu des informations sur sa direction de vol d’origine.

Peut-être que les chercheurs du KM3NET n’ont eu de la chance que dans un sens statistique: au moment de la mesure il y a deux ans, moins de dix pour cent de leurs balles de détection étaient suspendues en mer profonde devant la Sicile. Si la distribution d’énergie observée précédemment des neutrinos cosmiques est extrapolée à des énergies plus élevées, les mesures à ce stade de l’expansion auraient été entrées dans le pays pendant 70 ans avant de pouvoir compter avec une telle détection.