Riesiger Neutrino-Detektor entdeckt erste Anzeichen von Teilchen aus explodierenden Sternen

Jede Sekunde kollabiert irgendwo im beobachtbaren Universum ein massereicher Stern und löst eine Supernova-Explosion aus. Laut Physikern könnte das Observatorium Super-Kamiokande in Japan nun einen stetigen Strom von Neutrinos aus diesen Katastrophen sammeln, was sich auf einige Entdeckungen pro Jahr belaufen könnte.

Diese winzigen subatomaren Partikel sind entscheidend, um zu verstehen, was in einer Supernova passiert: Da sie aus dem kollabierenden Kern des Sterns hervorschießen und durch den Weltraum fliegen, können sie Informationen über eventuell neue Physik liefern, die unter extremen Bedingungen auftreten könnte.

Auf der letzten Neutrino 2024 Konferenz in Mailand, Italien, enthüllte Masayuki Harada, ein Physiker an der Universität von Tokio, dass die ersten Hinweise auf Supernova-Neutrinos scheinbar aus dem Chaos von Teilchen stammen, die der Super-Kamiokande-Detektor jeden Tag von anderen Quellen sammelt, wie kosmischen Strahlen, die auf die Atmosphäre treffen, und der Kernfusion in der Sonne . Das Ergebnis deutet darauf hin, dass „wir ein Signal zu beobachten begonnen haben“, sagt Masayuki Nakahata, ein Physiker an der Universität von Tokio und Sprecher des Experiments, das gemeinhin als Super-K bezeichnet wird. Nakahata warnt jedoch davor, dass die unterstützenden Daten – gesammelt über 956 Tage Beobachtung – noch sehr schwach sind.

Flüchtige Partikel

Neutrinos sind äußerst schwer zu fassen. Die meisten durchqueren den Planeten wie Licht durch Glas, und Super-K fängt nur einen winzigen Bruchteil derer ein, die ihn überqueren. Dennoch hat der Detektor eine gute Chance, Neutrinos von Supernovae zu erfassen, da das Universum davon überflutet sein sollte. Der Zusammenbruch eines Sterns setzt gewaltige Mengen dieser Teilchen frei (geschätzt auf etwa 10^58), was Astrophysiker als die diffuse Supernova-Neutrino-Hintergrund bezeichnen.

Bisher hat jedoch niemand diesen Hintergrund nachweisen können. Neutrinos wurden nur einmal eindeutig auf einen kollabierenden Stern zurückverfolgt – Nakahata war einer der Forscher, die die Partikel 1987 mit dem Kamioka-II-Detektor, einem Vorgänger von Super-K, entdeckten. Die Entdeckung war möglich, weil die Supernova in der Großen Magellanschen Wolke stattfand, einer Zwerggalaxie, die nahe genug ist, dass die Neutrinos des explodierenden Sterns in großer Anzahl die Erde erreichten.

In den Jahren 2018–2020 unterzog sich der Super-K-Detektor, ein Tank mit 50.000 Tonnen gereinigtem Wasser unter einem Kilometer Fels in der Nähe von Hida auf der zentralen Insel Honshu, einem einfachen, aber wichtigen Upgrade, dessen Ziel es war, seine Fähigkeit zu erhöhen, Supernova-Neutrinos von anderen Partikeln zu unterscheiden.

Wenn ein Neutrino – genauer gesagt sein Antiteilchen, ein Antineutrino – mit einem Proton im Wasser kollidiert, kann sich dieses Proton in ein Paar anderer Teilchen, einem Neutron und einem Antielektron, umwandeln. Das Antielektron erzeugt einen Lichtblitz, während es sich mit hoher Geschwindigkeit im Wasser bewegt, und dieses Licht wird von den Sensoren eingefangen, die die Wände des Tanks umgeben. Allein dieser Lichtblitz könnte mit dem von Neutrinos oder Antineutrinos aus einer Reihe anderer Quellen erzeugten Licht nicht zu unterscheiden sein.

Während des Upgrades fügten Wissenschaftler Super-Ks Wasser ein gadoliniumbasiertes Salz hinzu. Dies ermöglicht es, dass das beim Aufprall eines Antineutrinos auf das Wasser produzierte Neutron vom Gadoliniumkern eingefangen wird, wodurch eine zweite, charakteristische Energieblitzfolge freigesetzt wird. Super-K-Physiker auf der Suche nach Supernova-Neutrinos suchen nach einer schnellen Reihe von zwei Blitzlichtern, einem vom Antielektron und dem zweiten vom gefangenen Neutron.

Kosmische Mysterien lösen

Nakahata sagt, es werde noch mehrere Jahre dauern, bis echte Supernova-Signale klar hervortreten, da Doppelblitzsignale auch von anderen Neutrinoquellen stammen können, einschließlich derer, die durch kosmische Strahlen verursacht werden, die auf die Atmosphäre treffen. Aber bis Super-K bis 2029 schließen soll, fügt er hinzu, sollte es genügend Daten gesammelt haben, um einen soliden Anspruch zu erheben.

Ein noch größeres Experiment namens Hyper-Kamiokande, das voraussichtlich um 2027 abgeschlossen sein wird, könnte die Ergebnisse von Super-K massiv verbessern. Zunächst wird Hyper-K mit reinem Wasser gefüllt sein, aber “alle Komponenten des Detektors sind darauf ausgelegt, mit Gadolinium kompatibel zu sein”, das später hinzugefügt werden könnte, sagt Francesca Di Lodovico, eine Physikerin am King’s College London und Co-Sprecherin des Projekts.

Zu zeigen, dass Neutrinos von fernen Supernovae, die vor Milliarden von Jahren stattgefunden haben, immer noch vorhanden sind, würde bestätigen, dass Neutrinos stabile Partikel sind und nicht in etwas anderes zerfallen, sagt Nakahata. Dies ist etwas, das Physiker schon lange vermutet haben, aber bisher nicht nachweislich beweisen konnten.

Die Messung des gesamten Spektrums der Energien von Supernova-Neutrinos könnte auch Aufschluss darüber geben, wie viele Supernovae zu verschiedenen Epochen der kosmischen Geschichte stattgefunden haben, sagt Harada. Darüber hinaus könnte es enthüllen, wie viele kollabierende Sterne in einem schwarzen Loch resultierten – was die Emission von Neutrinos stoppen würde – im Gegensatz dazu, einen Neutronenstern zurückzulassen.

Die Daten von Super-K sind noch zu schwach, um eine Entdeckung zu beanspruchen, aber die Möglichkeit, die diffusen Neutrinos zu entdecken, ist “extrem aufregend”, sagt Ignacio Taboada, ein Physiker am Georgia Institute of Technology in Atlanta und Sprecher des IceCube-Neutrino-Observatoriums am Südpol. “Neutrinos würden eine unabhängige Messung zur Geschichte der Sternenbildung im Universum liefern.”