Eigentlich lauert das IceCube-Observatorium auf Neutrinos aus fernen Regionen des Weltalls. Doch auch in der Erdatmosphäre werden die "geisterhaften", alles durchdringenden Elementarteilchen erzeugt, und auch diese irdischen Neutrinos gehen den im Eis eingeschlossenen Detektoren in die Falle – tatsächlich stammt sogar die Mehrheit der Funde aus dieser Quelle.

Wie das DESY nun berichtet, haben Wissenschaftler um Rolf Nahnhauer dabei die verräterischen Spuren eines Prozesses namens Neutrino-Oszillation gefunden: der Verwandlung eines Neutrinos von einer Sorte in eine andere. Es existieren drei unterschiedliche Arten von Neutrinos – das Elektron-, das Tau- und das Myon-Neutrino. Dass sie sich auf ihrem Flug ineinander umwandeln können, ist schon länger belegt. Mit ihren neuesten Messungen hoffen die IceCube-Forscher nun jedoch, die genaueren Umstände dieses Verwandlungstricks besser bestimmen zu können.

Neutrino-Oszillationen seien aus physikalischer Sicht nur möglich, wenn Neutrinos eine Masse haben, erklärt Nahnhauer. "Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Neutrinos allerdings als masselos angenommen." Und um diesen Widerspruch auflösen zu können, ist es notwendig, die Parameter der Oszillation möglichst genau zu bestimmen.

Die optischen Detektoren
© Jamie Yang, IceCube Collaboration
(Ausschnitt)
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So könnte IceCube aussehen, wenn man sich das Eis wegdenkt: In Wirklichkeit sind die mehr als 5000 Detektoren komplett von ihm umschlossen.

Wie stark die Neutrinos oszillieren und auf welcher Strecke, beschreiben insbesondere zwei Parameter: der so genannte Mischungswinkel und die Massendifferenz der einzelnen Sorten. Dank präziser Messungen von Neutrinos aus der Sonne, der Atmosphäre, Kernkraftwerken und Teilchenbeschleunigern konnten beide Werte bereits näher bestimmt werden. Laut der DESY-Mitteilung erlauben die neuen Messungen der IceCube-Kollaboration nun jedoch noch einmal eine wesentlich verbesserte Bestimmung der Neutrino-Oszillations-Parameter. Eine Veröffentlichung zu diesen Ergebnissen soll demnächst in "Physical Review D" erscheinen.

In den Detektordaten verrät sich die Oszillation durch das Fehlen von Neutrinos einer Sorte. So konzentrierten sich die Wissenschaftler um Nahnhauer auf Myon-Neutrinos in einem Energiebereich von unter 50 Gigaelektronvolt und fanden dabei etwa 5200 Ereignisse. Gäbe es die Oszillation nicht, wären ungefähr 7000 solcher Treffer zu erwarten gewesen.

Neutrinos werden auch als Geisterteilchen bezeichnet, weil sie alle Materie praktisch ungehindert durchdringen. Nur in extrem seltenen Fällen kommt es zu einer Wechselwirkung. IceCube macht sich daher für seine Neutrinosuche das antarktische Eis zu Nutze: In einem Würfel von einem Kubikkilometer Eis haben die Wissenschaftler über 5000 optische Detektoren arrangiert. Sie zeichnen die Lichtblitze auf, die entstehen, wenn ein Neutrino mit dem Eis kollidiert.