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24.11.2017:  Messungen bestätigen Standardmodell der Teilchenphysik


Messungen mit dem Neutrinodetektor „Ice Cube“ am Südpol haben das Standardmodell der Teilchenphysik für Teilchen mit hohen Energien bestätigt. Bislang war das Modell, das den Grundaufbau der Materie beschreibt, nur für Teilchen mit geringen Energien gut getestet.

Nur die Spitze des Eisbergs: Das „Ice Cube“-Labor an der Erdoberfläche ist winzig im Vergleich zu dem ins Eis eingelassenen Neutrino-Detektor, der sich etwa 2,8 Kilometer tief in den Boden erstreckt. © Erik Beiser, IceCube/NSF

Neutrino-Detektor am Südpol

Messungen bestätigen Standardmodell der Teilchenphysik

Die Analyse von hochenergetischen Teilchen hätte das Modell, das den Aufbau der Materie erklärt, ins Wanken bringen können.

Messungen mit dem Neutrinodetektor „Ice Cube“ am Südpol haben das Standardmodell der Teilchenphysik für Teilchen mit hohen Energien bestätigt. Bislang war das Modell, das den Grundaufbau der Materie beschreibt, nur für Teilchen mit geringen Energien gut getestet.

„Das Standardmodell ist nicht vollständig, daher erwartet man in Grenzbereichen Abweichungen von der Theorie, insbesondere bei Teilchen mit höchsten Energien“, erklärt Prof. Dr. Julia Tjus, Leiterin des RUB-Lehrstuhls für Plasma-Astroteilchenphysik und Mitglied im „Ice Cube“-Konsortium. Entgegen dieser Erwartungen bestätigten die aktuellen Messungen jedoch die Theorie. Die Ergebnisse sind in der internationalen Top-Zeitschrift Nature veröffentlicht.

An der Publikation waren 55 Einrichtungen weltweit beteiligt, darunter das Team von Julia Tjus, zu dem der ehemalige Mitarbeiter Dr. Mike Kroll und der aktuelle Doktorand Mehmet Gündüz gehören.

Wie Neutrinos mit Kernteilchen wechselwirken

Für die Analyse untersuchten die Forscherinnen und Forscher, wie Neutrinos – elektrisch neutral geladene Elementarteilchen – mit Atomkernen in der Erde wechselwirken, genauer gesagt mit einzelnen Protonen oder Neutronen im Atomkern. Neutrinos prasseln unaufhörlich mit der kosmischen Strahlung aus dem All auf die Erde ein. Sie wechselwirken aber nur sehr selten mit anderen Teilchen. Wie genau sich die Wechselwirkung gestaltet, hängt von der Energie des Neutrinos ab.

Deutlich mehr Energie als im Beschleuniger

Die mit dem „Ice Cube“-Detektor gemessenen Neutrinos besaßen Energien im Bereich von 6,3 bis 980 Tera-Elektronenvolt. Diese sind um mehr als Faktor zehn höher als die Energien, die mit irdischen Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden können.

Das Standardmodell der Teilchenphysik und andere Modelle machen unterschiedliche Vorhersagen dazu, wie sich die Neutrino-Energie auf die Wechselwirkung mit Kernteilchen auswirkt. Genauere Erkenntnisse über diesen Prozess können somit Belege für oder gegen ein bestimmtes Modell liefern.

Bislang nur theoretisch berechnet

Im Fokus der „Ice Cube“-Analyse stand der sogenannte Wirkungsquerschnitt; stark vereinfacht gesagt ist das ein Maß für die effektive Querschnittsfläche, auf der ein Neutrino mit einem Kernteilchen wechselwirkt. Aus dem Wirkungsquerschnitt ergibt sich die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Wechselwirkung stattfindet.

Für die Interaktion von Neutrinos und Kernteilchen war der Wirkungsquerschnitt bei hohen Energien bislang nur theoretisch berechnet worden, und das auch nur mit großer Unsicherheit. Mit dem „Ice Cube“-Detektor gelang es nun erstmals, den Wirkungsquerschnitt für hochenergetische Neutrinos zu messen. Experimentelle Daten hatte es zuvor nur für Neutrinos mit Energien bis zu 400 Giga-Elektronenvolt gegeben, die mit Beschleunigern auf der Erde erzeugt werden können.

Im Einklang mit dem Standardmodell

Daten von knapp 10.800 Neutrinos, detektiert im Zeitraum von 2009 bis 2011, gingen in die Analyse ein. Der daraus ermittelte Wirkungsquerschnitt für hochenergetische Neutrinos war größer als der zuvor gemessene Wirkungsquerschnitt für Neutrinos mit niedrigeren Energien. Dieser Unterschied ist im Einklang mit den Vorhersagen des Standardmodells. Andere Modelle hatten einen extremen Anstieg des Wirkungsquerschnitts bei höheren Energien vorhergesagt. Dieser bestätigte sich jedoch nicht.

„Die Analysen für die aktuellen Berechnungen vorzubereiten war ein jahrelanger Prozess“, erzählt Julia Tjus. An diesen Vorbereitungen waren die Bochumer Forscher beteiligt.

Ein besonders hochenergetisches Neutrino, von den Forschern auf den Namen Bert getauft, schlug im „Ice Cube“-Detektor am 9. August 2011 ein. Wenn Neutrinos wechselwirken, werden schwache Lichtblitze mit großer räumlicher Ausdehnung erzeugt, die der Detektor erfassen kann. Das Bild zeigt die von Bert erzeugte Lichtspur im Eis – im Größenverhältnis zum RUB-Campus.

Zum Projekt

Der „Ice Cube“-Detektor am Südpol zeichnet mittlerweile seit knapp sieben Jahren Daten auf. Erstes Ziel des Projekts war es, das Spektrum von Neutrinos, die auf der Erde ankommen, zu charakterisieren. Die aktuelle Analyse baut auf diesen Vorarbeiten auf. Ein weiteres großes Ziel von „Ice Cube“ ist, zu ergründen, was die Quellen der kosmischen Strahlung sind.

Originalveröffentlichung

The IceCube Collaboration: Measurement of the multi-TeV neutrino interaction cross-section with IceCube using Earth absorption, in: Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature24459