Seite 2: Mehr Wumms macht mehr Wirbel

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UHE-Neutrinos sind nun wegen ihrer Energien bis 1 ZeV um einiges reaktionsfreudiger als die solaren Neutrinos mit ihren ~10⁶ eV. Ihr sogenannter "Wirkungsquerschnitt", das ist der Bereich um das Teilchen, innerhalb dessen es mit anderen Teilchen interagieren kann, ist Milliardenmal größer als bei den solaren Neutrinos. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik werden die Grundkräfte durch virtuelle (nur vorübergehend aus dem Vakuum entstehende) Teilchen vermittelt, die zwischen den wechselwirkenden Teilchen ausgetauscht werden. Die Austauschteilchen (Bosonen) der Schwachen Wechselwirkung sind die drei W⁺/W^-- und Z⁰-Bosonen, die anders als das Photon – das Boson des Elektromagnetismus – eine Ruhemasse haben, und die ist ziemlich groß: 80 Protonenmassen für W^±, 90 für Z⁰.

Je höher die Teilchenenergie des Neutrinos, umso wahrscheinlicher kann es die virtuellen Bosonen aus dem Vakuum produzieren und somit nimmt die Reichweite der Schwachen Wechselwirkung mit der Teilchenenergie zu. Quasi als ob ein LKW anstelle eines Fahrrads an einem vorbeifährt, der entsprechend mehr Fahrtwind verursacht. UHE-Neutrinos schaffen es wegen ihres riesigen Wirkungsquerschnitts (siehe Bild) deshalb nicht mehr, die Erde zu durchstoßen. Das ist auch experimentell nachgewiesen: Neutrinoobservatorien messen mit zunehmender Teilchenenergie eine Abnahme der Ereignisse, die von Teilchen stammen, welche die Erde durchkreuzt haben, während Teilchen aus anderen Richtungen diese Abnahme nicht zeigen.

Im Mittel schaffen Teilchen von 1 EeV (10¹⁸ eV) es noch durch ein paar hundert Kilometer Wasser. Entsprechend häufig reagieren sie mit Eis. Sie müssen dazu nicht immer erst hunderte Kilometer Eis durchdringen, sondern statistisch gesehen haben stets einige das "Pech", schon nach wenigen Kilometern mit einem Atomkern zu kollidieren. Beim sogenannten "Askaryan-Effekt" produzieren sie Sekundärteilchen, die sich mit dem ursprünglichen Impuls des Neutrinos mit Überlichtgeschwindigkeit durch das Eis fortbewegen. Das "Über-" bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit im Medium, die stets kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist – nur letztere kann nach der Relativitätstheorie nicht überschritten werden.

Wenn sich das Medium polarisieren lässt, das Teilchen also im Vorbeiflug die Ausrichtung der Ladungen der Moleküle im Medium beim Durchfliegen kurzzeitig verändert (ein sogenanntes Dielektrikum), werden durch die Schwingungen der Moleküle elektromagnetische Wellen ausgesendet, und zwar aufgrund des überlichtschnellen Fortschreitens der Quelle als Stoßfront, vergleichbar mit einem Überschallknall (Tscherenkow-Strahlung). Darunter sind Radiowellen und Mikrowellen, die das Eis durchdringen können. Geeignete dielektrische Medien sind etwa Sand, Wasser, Luft – und Eis!

Sprung in der Welle

ANITA ist ein großer Radio-Richtempfänger, der in der Antarktis auf bis zu 37 Kilometer Höhe aufsteigt und während mehrwöchiger Missionen von dort aus den Boden nach kurzen Radiopulsen von Askaryan-Ereignissen ablauscht. Die Antarktis wurde für das Experiment ausgewählt, weil sie nicht nur jede Menge Detektormedium in Form von Eis bereitstellt und derjenige Ort auf der Erdoberfläche ist, der sich am weitesten entfernt von störenden irdischen Sendern befindet, sondern auch, weil der bis in die Stratosphäre kreisende antarktische Polarwirbel den Ballon über dem Kontinent festhält. Am Ende des Fluges trennt man den Empfänger vom Ballon, er landet am Fallschirm im Eis und kann dann mit einem Hubschrauber aufgelesen werden; oder vielmehr das, was noch von ihm übrig ist – so richtig gut sieht er danach nämlich nicht mehr aus. Bisher fanden denn auch nur vier jeweils etwa einmonatige Flüge statt: Dezember bis Januar 2006/07, Dezember bis Januar 2008/09, Dezember bis Januar 2014/15 und Dezember bis Januar 2016/17.

Nicht nur Neutrinos verursachen Radiowellen, sondern auch Teilchen der kosmischen Strahlung, die beim Einschlag in die Atmosphäre Teilchenschauer erzeugen. Diese Teilchen erzeugen im Magnetfeld der Erde ebenfalls Radiopulse. ANITA misst die Richtung, aus der die Signale eintreffen, horcht allerdings auf der Suche nach Neutrinosignalen aus dem Eis nur seitwärts und nach unten. Radiowellen, die von kosmischen Strahlen stammen, kommen zunächst einmal von oben. Die Radiowellen werden jedoch am Boden reflektiert und kommen dann wie die echten Neutrinosignale von unten in den Sichtbereich von ANITA. Neutrino- und kosmische Strahlung lassen sich jedoch leicht unterscheiden, denn Funkwellen, die an Eis reflektiert werden, tun einen Phasensprung um 180° in der horizontalen Polarisationsrichtung, wie das nächste Bild zeigt.

Hier sind vier verschiedene Pulse dargestellt. B und C kamen von seitlich knapp unterhalb der Waagerechten (-5,5° und -3,6°), während A und D von unten (35° und 36,7°) kamen. Man erkennt den umgekehrten Verlauf der Signalamplitude für die horizontale Polarisation nur bei D. Folglich wurde dieses Signal am Boden reflektiert, A hingegen nicht.

Die unmöglichen Aufwärts-Neutrinos von ANITA

Für die tatsächlich aus dem Eis stammenden Signale der Hochenergie-Neutrinos kann unter Berücksichtigung des Empfangswinkels, der Höhe des Ballons und der Brechung der Radiowellen beim Verlassen des Eises zurückgerechnet werden, aus welcher Richtung das Teilchen ursprünglich kam. Das Ursprungsteilchen in Bild A vom dritten ANITA-Flug kam am 20. Dezember 2014 demnach in einem Winkel von ursprünglich 55,5° zur Senkrechten von unten und hatte eine Energie von 0,56±0,3 EeV, wie seine Entdeckerinnen und Entdecker in ihrer Arbeit (Peter W. Gorham, Ben Rotter et al.) im März 2018 berichteten.

Wer bis hierhin aufgepasst hat, sollte sich jetzt am Kopf kratzen und fragen, wie das möglich sein kann – das Teilchen müsste demnach ja durch die Erde gedrungen sein, was für UHE-Neutrinos doch vermeintlich unmöglich sein soll. In der Tat bedeutet dieser Winkel eine Strecke von etwa 7200 Kilometer durch die Erde hindurch, was 18 Mal der durchschnittlichen Strecke entspricht, die ein solches Neutrino theoretisch hätte schaffen sollen. Möglich wäre, dass ein Tau-Neutrino bei einer Kollision mit einem Atom ein Tau-Teilchen (ein instabiler Verwandter des Elektrons, allerdings 3500 Mal schwerer) erzeugt hat, das beim Zerfall ein neues Tau-Neutrino mit ca. 10-fach kleinerer Energie produziert hat, welches dann ein Stück weiter geflogen ist; ein Prozess, der sich möglicherweise mehrfach wiederholte.

Aber diese Tau-Neutrino-Regeneration hätte die Zahl von UHE-Neutrinos über 1 EeV immer noch um den Faktor 100.000 verringert. So häufig sind Neutrinos dieser hohen Energie nicht zu erwarten, als dass eines davon mit realistischer Wahrscheinlichkeit im Blickfeld von ANITA während nur eines Monats Beobachtungszeit hätte auftauchen sollen. Zudem fand sich ein zweites Ereignis in den Daten des ersten Flugs am 28. Dezember 2006. Es hatte die gleiche Energie (0,6±0,4 EeV) und muss 5750 Kilometer Erde durchstoßen haben. Gorham et al. schreiben, mit sporadischen Neutrinos sei das nicht zu erklären. Es müsse eine aktive Quelle sehr viele Hochenergie-Neutrinos in Richtung Erde abgefeuert haben, damit das eine oder andere durchkommen konnte.

Mögliche Quellen wären Gammastrahlenschauer, wie sie bei Hypernovae oder kollidierenden Neutronensternen entstehen, oder eine Supernova. Gammastrahlenschauer werden von mehreren Satelliten in Echtzeit überwacht, aber es fand sich kein passendes Ereignis. Circa 1,2° entfernt vom errechneten Ort der Quelle und damit innerhalb des Fehlerradius von 1,5° für die Lokalisation fanden Gorham et al. für den betreffenden Zeitpunkt die Typ-Ia-Supernova SN2014dz in 240 Millionen Lichtjahren Entfernung verzeichnet, die 5 Stunden vor dem Ereignis entdeckt worden war und sich zu dieser Zeit noch eine Woche vor dem Helligkeitsmaximum befand.

Die Wahrscheinlichkeit für ein zufälliges räumlich- und zeitliches Zusammenfallen des ANITA-Ereignisses mit einer Supernova geben Gorham et al. mit 0,34% an. Aber für eine so weit entfernte und damit lichtschwache Supernova wäre es wiederum unwahrscheinlich, dass das Teilchen von ihr produziert worden sei. Entweder stimme etwas mit dem vom Standardmodell vorhergesagten Wirkungsquerschnitt der UHE-Neutrinos nicht (etwa, dass er bei kleinerer Energie nach oben gedeckelt ist), oder die Supernova hätte die Neutrinos als gerichteten Strahl auf die Erde feuern müssen (zum Beispiel in einem Jet). Für das Ereignis von 2006 fanden sie keine Supernova oder dergleichen als Quelle, mutmaßen aber, dass diese wegen ihrer Nähe zur galaktischen Scheibe von nur 10° hinter dem Staub der Milchstraße verborgen gewesen sein könnte und nicht entdeckt worden sei.

Eine Spur zu SUSY?

Die Meldung führte zu einer ganzen Flut von ungefähr 40 Folgearbeiten, die alle möglichen exotischen Erklärungen für die beiden Ereignisse heranziehen. Eine der ersten kam von Derek Fox, Steinn Sigurdsson, Sara Shandera und vier weiteren Autoren. Sie zweifeln an, dass ein Neutrino mit oder ohne Regeneration 7200 oder 5700 Kilometer durch die Erde zurücklegen könne. Ihre Simulationen für 1,8 Milliarden sporadische Neutrinos verschiedener Energien auf der Basis des Standardmodells ergaben eine Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 2 Millionen beziehungsweise 1 zu 30 Millionen, dass ein UHE-Neutrino für 5700 und 7200 Kilometer Weglänge durch die Erde ein für ANITA detektierbares EeV-Ereignis hervorbringen könne.

Der Statistik nach müssten bei geringeren Energien von 1 bis 10 PeV (10¹² eV) 1100 beziehungsweise 32.000 Mal so viele Neutrinos auftreten, die die Erde problemlos durchdringen könnten und von anderen Neutrinoobservatorien wie dem Pierre-Auger-Observatorium in Malargüe, Argentinien, oder IceCube in der Antarktis detektiert werden müssten. Um während der etwa 3-monatigen Beobachtungszeit von ANITA gleich zwei EeV-Neutrino-Ereignisse zu produzieren, müssten die anderen Neutrinoobservatorien zwei Millionen Mal mehr sporadische Neutrinos aufspüren, als sie es tun. Dies gilt analog für Schauer von transienten Quellen wie Supernovae – da ANITA während ihrer Beobachtungszeit gleich 2 Ereignisse erwischte, müssten die Neutrinoobservatorien etwa zweimal pro Monat Neutrinoschauer beobachten, was nicht der Fall ist.

Der Alternativvorschlag von Fox et al. lautet, dass die Ursache ein Teilchen außerhalb des Standardmodells gewesen sei. Ein Teilchen, dessen Wirkungsquerschnitt so klein ist, dass es mit 50 Prozent Wahrscheinlichkeit 1000 Kilometer Strecke durch die Erde zurücklegen und dann ein Tau produzieren kann, das von ANITA registriert wurde. Außerdem sollte das Teilchen, falls es aus einem Teilchenschauer auf der gegenüberliegenden Seite der Erde entstand, eine ausreichend lange Halbwertszeit haben, so dass es im Mittel wenigstens einen Erdradius zurücklegen können sollte, bevor es zerfiele. Einen möglichen Kandidaten verorten Fox et al. im supersymmetrischen (SUSY) Partnerteilchen (siehe nächstes Bild) des Taus, das "Stau". Es könnte eine halbe bis eine Protonenmasse haben, um dem LHC am CERN in Genf bisher entgangen zu sein, und es könnte in ein Tau und in das SUSY-Teilchen mit der kleinsten Masse zerfallen, das stabil sein sollte und somit ein Kandidat für die Dunkle Materie wäre.

Natürlich müssen Fox, Sigurdsson, Shandera et al. den Beweis schuldig bleiben – immerhin legen sie nachvollziehbar dar, dass ein UHE-Neutrino nicht die Ursache für die beiden ANITA-Signale sein kann und damit eine Erklärung jenseits des Standardmodells plausibel erscheint. Alles Weitere ist Spekulation. Zumal sich kein einziges SUSY-Teilchen im LHC (oder sonst wo) zeigen mag.

Unfruchtbare Neutrinos?

John Cherry mit Ian Shoemaker und andere Arbeiten vermuten hingegen, bei den Teilchen, die da die Erde durchstoßen haben sollen, handele es sich um "sterile Neutrinos", die ebenfalls Kandidaten für die Dunkle Materie sind. Neutrinos haben wie alle Fermionen einen Spin, eine Art quantenmechanische Variante des Drehimpulses. Der Spin kennt aber in Bezug auf eine Messung immer nur zwei mögliche, entgegengesetzte Richtungen. Elektronen und Protonen können ihre Spins in die jeweils andere Richtung kippen. Alle drei Neutrinos sind hingegen "linkshändig": wenn bei der linken Hand der gestreckte Daumen in Richtung ihrer Bewegungsrichtung zeigt, dann zeigen die vier eingeklappten Finger in Richtung des Drehsinns.

Aus Gründen, für die hier kein Raum ist (dort schon), nimmt man an, dass es noch drei weitere, stets rechtshändige Neutrinos geben soll, die gegenüber der Schwachen Wechselwirkung "steril" sind – sie spüren sie nicht und zeigen sich daher in keinem Neutrinodetektor oder Teilchenbeschleuniger. Sie sollen erheblich schwerer sein, als die drei Standardmodell-Neutrinos. Deren Massen sind bisher unbekannt, man weiß nur mit Sicherheit, dass sie nicht 0 sind und kleiner als 2 eV/c². Zwei Experimente weisen darauf hin, dass es mindestens eine vierte Neutrinoart geben könnte, die eine sehr viel größere Masse haben müsste.

Die bekannten drei Neutrinoarten wandeln sich permanent ineinander um. Ein bei einer Reaktion mit einem Elektron entstandenes Elektron-Neutrino wandelt sich nach einer gewissen Strecke, die mit zunehmender Teilchenenergie zunimmt, in ein Myon- oder Tau-Neutrino um. Das ist experimentell nachgewiesen. Man nimmt an, dass Neutrinos aus einer Überlagerung von drei "Eigenzuständen" verschiedener Massen bestehen, deren quantenmechanische Zustandswahrscheinlichkeiten wie Wellen schwingen, aber mit verschiedenen Wellenlängen. Aus der Kombination der drei Wellen ergibt sich der jeweilige beobachtete Typ ("flavor" = Geschmack) des Neutrinos, der bestimmt, mit welchen Leptonen es wechselwirken kann.

Wenn es sterile Neutrinos gibt, käme noch mindestens ein vierter Eigenzustand hinzu, der in Kombination mit den anderen Eigenzuständen die sterilen Neutrinos produzieren könnte, die wir in unseren Experimenten nie sehen. Da die Strecken, über die die Neutrinos ihren Flavor verändern, mit zunehmender Teilchenenergie sehr groß werden können, und da sterile Neutrinos nicht einmal die schwache Wechselwirkung spüren sollen, könnten sie die Erde problemlos durchdringen. Wandelten sie sich rechtzeitig in ein Tau-Neutrino, dann könnten sie mit einem Atomkern interagieren und ein Tau produzieren, dessen Askarayan-Strahlung von ANITA empfangen werden kann.

Guo-yuan Huang hat berechnet, dass bei einer Masse des vierten Eigenzustands von mehr als 1 keV/c² die Oszillationsstrecke für das sterile Neutrino lang genug wäre, die Erde zu durchqueren. Da ANITA die stark gerichtete Askaryan-Strahlung nur dann empfängt, wenn sie sich aus Sicht der Quelle in einem engen 1° durchmessenden Sichtfeld befindet, kann sie nicht alle Ereignisse in ihrem aus etwa 35 Kilometer Höhe potenziell eine Million Quadratkilometer umfassenden Blickfeld registieren. Wenn man die Fläche mit der Wahrscheinlichkeit multipliziert, dass ein Signal tatsächlich bei ihr eintrifft, erhält man die Größe einer äquivalenten Fläche, aus der ANITA gleich viele Signale empfangen würde, wenn sie jedes im Eis auftretende Ereignis empfangen würde, und das sind nur 4 Quadratkilometer.

Auf der Basis dieser Fläche kann man die Ereignisraten von ANITA mit denen anderer Neutrinoobservatorien vergleichen. ANITA hätte gemäß Guo-yuans Analyse bei einer effektiv überwachten Fläche von ca. 4 km² im Durchschnitt ein Ereignis in drei Monaten Beobachtungszeit sehen sollen (es waren 2, das ist noch im statistischen Rahmen), während IceCube mit 1 km² überwachter Grundfläche in 12 Monaten ein Ereignis hätte sehen sollen und in 6 Betriebsjahren dementsprechend 6 Ereignisse. Bisher gibt es aber gerade einmal einen möglichen IceCube-Kandidaten, was gegen sterile Neutrinos als Quelle der ANITA-Detektionen spreche.

Spieglein, Spieglein am Big Bang…

Ein Team um Luis Anchordoqui sieht in den zwei ANITA-Ereignissen gar den Beleg für die Existenz eines zeitsymmetrischen Spiegeluniversums! Tatsächlich ist die Idee um die es geht – dass bei der Entstehung des Universums nicht nur unser Universum mit unserer Zeitrichtung entstand, sondern auch ein zweites, in dem die Zeit in die entgegengesetzte Richtung läuft – gar nicht so abwegig; dazu braucht es ein wenig mehr Hintergrund, den ich in meiner Blog-Reihe über die Zeit erläutere. Dieses Universum würde aus unserer Sicht vor dem unsrigen bestanden und mit dem Urknall geendet haben. Aus Sicht des anderen Universums wäre es genau umgekehrt.

Nach einer Idee von Latham Boyle, Kieran Finn und Neil Turok aus dem Jahr 2018, die diese Hypothese fortführt, wäre dieses Universum eine Art Spiegelbild unseres Universums. Bei uns hinterließ der Urknall, aus dem fast die gleiche Menge Materie wie Antimaterie entstand, einen winzigen Überhang von nur einem Milliardstel an verbliebener Materie - im Spiegeluniversum wäre ein Milliardstel mehr Antimaterie übrig geblieben. Der Urknall selbst wäre keine echte Singularität, sondern nur eine Koordinatensingularität (der Nordpol ist eine Koordinatensingularität der geographischen Koordinaten: es gibt keinen nördlicheren Ort, trotzdem hindert einen in der Praxis nichts daran, ihn auf dem Weg nach Norden zu überschreiten, außer vielleicht widriges Wetter).

Teilchen, die mit anderen nur über Gravitation wechselwirken, könnten den Urknall demnach von einem zum anderen Universum passiert haben. Als kleinste Erweiterung des Standardmodells sehen Boyle et al. die Ergänzung von drei rechtshändigen sterilen Neutrinos, von denen genau eines stabil wäre und unsere Dunkle Materie bildete. Aufgrund ihrer Berechnungen sagen sie vorher, dass dieses sterile Neutrino eine Masse von 4,8·10⁸ GeV = 0,48 EeV haben sollte (aber nicht zu leichten Standardmodell-Neutrinos oszillieren sollte).

Das ist nun verblüffend nahe an dem Wert, den die beiden ANITA-Ereignisse an Energie freigesetzt haben (0,6±0,3 EeV). Zwei Ereignisse mit im Rahmen der Messgenauigkeit derselben Energie, welche auch noch zur Energie des postulierten sterilen Neutrinos des Spiegeluniversums von Boyle et al. passt – da mochten Anchordoqui et al. nicht an einen Zufall glauben. Sie argumentieren, dass die sterilen Neutrinos nicht komplett steril seien und ein klein wenig schwach wechselwirken könnten. Deswegen würden sie beim Durchqueren der Erde an den Atomen gestreut, Energie verlieren und sich aufgrund der Erdgravitation im Zentrum der Erde ansammeln. Dort würden sie dann, weil sie doch nicht völlig stabil seien, gelegentlich in ein Higgs-Boson und ein Standard-Modell-Neutrino zerfallen. Wenn hinreichend viele solche Zerfälle stattfänden, könnten ein paar dieser Neutrinos statistisch die Erde durchdringen und nahe der Oberfläche das Askaryan-Signal eines Taus produzieren.

WENN also das Universum ein Spiegeluniversum hätte und WENN dieses ein steriles Neutrino von 0,48 EeV als Dunkle-Materie-Teilchen in unser Universum geschleust hätte und WENN das Teilchen doch nicht komplett steril wäre und sich in der Erde sammeln würde und WENN es dann in ein gewöhnliches Tau Neutrino zerfallen würde und WENN genug davon die Erdoberfläche erreichen würden und WENN sie dann dort Askaryan-Strahlung produzieren würden, DANN könnten die ANITA-Signale ein Beleg für das Spiegeluniversum sein. Das sind eine Menge WENNs und die Schlussfolgerung funktioniert nicht in der umgekehrten Richtung: dass aus den ANITA-Signalen die Erfüllung aller dieser Voraussetzungen und insbesondere die der Existenz eines Spiegeluniversums folgt.