Elementarteilchen auf Tour - Neutrino auf Spritztour – das schnelle Teilchen wurde geblitzt

Neutrinos sausen unbemerkt durchs All, durch Materie und durch unseren Körper. Doch neulich ist ein lichtschnelles Exemplar aufgeflogen.

Neutrinos sind notorische Eigenbrötler. Sie sind winzig, haben kaum Masse, null Ladung und wechselwirken daher nur sehr schwach mit Materie. Die subatomaren Teilchen geistern zahlreich und doch praktisch unbemerkt durchs All. Sie durchqueren Sternenkerne, Galaxienhaufen, die Erde und auch unseren Körper – zu Billionen in jeder Sekunde – ohne, dass wir etwas davon spüren.

Gigantische Observatorien mit einem Gespür für Geisterteilchen

Wer diese Elementarteilchen beobachten will, muss einen grossen Aufwand betreiben und eine besondere Art von Teleskopen bauen. An Orten, zu denen keine anderen Teilchen durchdringen und wo die superschwachen Neutrino-Signale ungestört und leichter zu detektieren sind.

Wolfgang Pauli und das Neutrino made in Zurich

1930 kämpfte der ETH-Professor Wolfgang Pauli mit Zahlen und Zeichen. Bei seinen Berechnungen der theoretischen Grundlagen der Atomspaltung fehlte immer ein Quäntchen Energie. Seinen Kolleginnen in ganz Europa ging es ebenso.

Das brachte Pauli auf die Idee, dass da ein Teilchen im Spiel sein musste, das noch nie beobachtet wurde. Am 4. Dezember sagte er in einem legendären Brief an die Teilnehmer einer Forschungstagung die Existenz eines bisher unbeobachteten Teilchens vorher.

«Liebe Radioaktive Damen und Herren» schrieb er und postulierte knapp und erstmals jenes neutrale, weil ungeladene Teilchen, das der italienische Physiker Enrico Fermi später auf den Namen «Neutrino» taufte: «das kleine Neutrale».

Was Pauli als «verzweifelten Ausweg» bezeichnete und für wenig wahrscheinlich hielt, wurde Ende der 1950er-Jahre – kurz vor seinem Tod – bewiesen.

Eins dieser Teleskope hat im Jahr 2023 ein Signal aufgespürt, das jetzt nach zwei Jahren Rechenarbeit von 350 beteiligten Forschenden auf das energiereichste je beobachtete Neutrino zurückgeführt werden konnte. Das Teilchen war beinahe lichtschnell auf Spritztour im Mittelmeer unterwegs, wo es prompt geblitzt wurde. Und zwar vom Tiefsee-Observatorium KM3NeT, das am Meeresboden zwischen Sizilien und Südfrankreich seine Fühler nach den Geisterteilchen ausstreckt.

Neutrino-Jagd im Ozean: Eines der optischen Module von KM3NeT, das in der Tiefe des Mittelmeers Daten sammelt.

Paschal Coyle / KM3NeT

Ein kosmisches Energiebündel mit minimaler Ausdehnung

Der Detektor fing nicht das Neutrino selbst ein, sondern das Signal eines Myons. Dieses Myon – ein anderes Elementarteilchen – wurde vermutlich bei einer der ausserordentlich seltenen Kollisionen des Neutrinos mit Atomen erzeugt. Das Myon-Signal hat den Namen KM3-230213A.

Unterirdische Forschung: Neutrino Observatorien

Neutrino-Forscherinnen und -forscher arbeiten mit Daten, die aus dem Eis kommen, aus dem Innern von Felsen oder aus dem Wasser. Dort sitzen die riesigen und sehr empfindlichen Neutrino-Teleskope, die messen, was vorbeirauscht.

Die Materiemassen, die diese riesigen Observatorien umgeben, dienen als Filter. Sie bremsen alle Elementarteilchen aus – mit Ausnahme der geisterhaft-unauffälligen Neutrinos, die sich durch nichts aufhalten lassen. Das KM3NeT-Teleskop ist ein riesiges Tiefsee-Observatorium, spezialisiert auf Neutrinos, die bei extremen astrophysikalischen Ereignissen entstanden sind. 350 Wissenschaftlerinnen, Ingenieure und Studierende von 68 Institutionen aus 22 Ländern arbeiten in der KM3NeT-Kollaboration zusammen.

Das Teleskop hat zwei Detektoren: ARCA auf dem Meeresboden vor Sizilien und ORCA bei Toulon. Es ist noch immer im Bau, aber schon an der Arbeit. Es misst das Cherenkov-Licht. Das ist ein bläuliches Strahlen, das entsteht, wenn geladene Teilchen, wie das vor Sizilien beobachtete Myon, extrem schnell unterwegs sind – schneller als das Licht im Medium, in dem es sich gerade bewegt.

Das führt zu einer Art Überschallknall mit Licht. So schnell war jenes Myon unterwegs, das im Mittelmeerwasser in die Fänge des KM3NeT-Observatoriums vor Sizilien geriet.

Das ultrahochenergetische Neutrino schoss mit einer Energie von 220 Peta-Elektronenvolt – 220 Millionen Milliarden Elektronenvolt also – am Teleskop vorbei. Das ist das 16’000-fache dessen, was der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider (LHC) am Cern, mit Teilchenkollisionen erzeugen kann. Eine gigantische Energiemenge zusammengepresst auf einem der winzigsten Materie-Tupfen unseres Universums.

Ein Gruss aus dem Hochenergie-Universum

Im Kern geht es bei dieser Forschung um die Frage: Was um Himmelswillen hat dieses Teilchen derart heftig angeschoben, dass es mit einer solch unfassbaren Geschwindigkeit durchs All rast? Der Antwort sind Physikerinnen und Astronomen nun ein kleines Schrittchen nähergekommen.

Der winzige mediterrane Raser ist Ausdruck kosmischer Extreme. Ein unsozialer Bote aus dem Hochenergie-Universum. Und weil ein Neutrino durch Materie gehen kann, verweist es direkt auf seinen Ursprungsort. Dorthin, wo gigantische kosmische Teilchenbeschleuniger wie supermassereiche Schwarze Löcher, Sternenexplosionen und Gammastrahlenausbrüche das Tempo bestimmen.

Der Neutrino-Witz

Ein Neutrino kommt in eine Bar. Fragt der Barkeeper: «Was darf’s denn sein?» «Nichts, danke», sagt das Neutrino, «ich bin nur auf der Durchreise...»

Welches kosmische Extremereignis das Neutrino auf den Weg gebracht hat, das wissen die Forschenden noch nicht. Aber das Fenster ist geöffnet – dank des feinen Gespürs von KM3NeT für scheue Teilchen, zu denen das energiereichste, je nachgewiesene Neutrino gehört.

Einst in den Tiefen des Alls ausgespuckt, in die Milchstrasse eingebogen und vor zwei Jahren mit dem Nummernschild KM3-230213A im Mittelmeer geblitzt. Eine Busse gabs nicht.