Kosmische Strahlen: Sie sind nicht das, was wir dachten

Der Ursprung der kosmischen Strahlung war eines der beständigsten Rätsel in der Physik und es sieht so aus, als würde es noch eine Weile so bleiben. Einer der führenden Kandidaten für die Herkunft der kosmischen Strahlung sind Gammastrahlenausbrüche, und die Physiker hofften, dass ein riesiger Detektor der Antarktis namens IceCube Neutrino Observatory diese Theorie bestätigen würde. Beobachtungen von über 300 GRB ergaben jedoch keine Hinweise auf kosmische Strahlung. Kurz gesagt, kosmische Strahlung ist nicht das, was wir dachten.

Aber genau wie Thomas Edison, der sagte, dass „jeder verworfene falsche Versuch ein weiterer Schritt nach vorne ist“, betrachten Physiker diese neueste Erkenntnis als Fortschritt.

"Obwohl wir nicht herausgefunden haben, woher kosmische Strahlung kommt, haben wir einen wichtigen Schritt unternommen, um eine der führenden Vorhersagen auszuschließen", sagte Francis Halzen, Principal Investigator von IceCube und Physikprofessor an der Universität von Wisconsin-Madison.

Kosmische Strahlen sind elektrisch geladene Teilchen wie Protonen, die aus allen Richtungen auf die Erde treffen und deren Energie bis zu hundert Millionen Mal höher ist als die, die in künstlichen Beschleunigern erzeugt werden. Die intensiven Bedingungen, die zur Erzeugung solcher energetischen Teilchen erforderlich sind, haben das Interesse der Physiker auf zwei mögliche Quellen gelenkt: die massiven Schwarzen Löcher in den Zentren aktiver Galaxien und Gammastrahlenausbrüche (GRBs), Gammastrahlenblitze, die mit extremen energetischen Explosionen verbunden sind, die beobachtet wurden in fernen Galaxien.

IceCube verwendet Neutrinos, von denen angenommen wird, dass sie die Produktion kosmischer Strahlen begleiten, um diese beiden Theorien zu untersuchen. In einem Artikel, der in der Ausgabe vom 19. April der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreiben IceCube-Wissenschaftler eine Suche nach Neutrinos, die von 300 Gammastrahlenausbrüchen emittiert wurden, die zuletzt in Übereinstimmung mit den Satelliten SWIFT und Fermi zwischen Mai 2008 und April 2010 beobachtet wurden. Überraschenderweise fand keine – ein Ergebnis, das 15 Jahren Vorhersagen widerspricht und eine der beiden führenden Theorien für den Ursprung der kosmischen Strahlung mit der höchsten Energie in Frage stellt.

Der Detektor sucht nach Hochenergie (Teraelectronvolt; 1012-Elektronvolt) Neutrinos, und in ihrer Arbeit sagte das Team, dass sie eine Obergrenze für den Fluss von energetischen Neutrinos gefunden haben, die mit GRBs assoziiert sind, die mindestens einen Faktor von 3,7 unter den Vorhersagen liegt. Dies impliziert, dass entweder GRBs nicht die einzigen Quellen für kosmische Strahlung mit Energien größer als 10 sind18Elektronenvolt oder die Effizienz der Neutrino-Produktion ist viel geringer als vorhergesagt. In jedem Fall, so die Wissenschaftler, müssen unsere aktuellen Theorien zur Produktion von kosmischen Strahlen und Neutrinos in GRBs überarbeitet werden. "Das Ergebnis dieser Neutrino-Suche ist bedeutsam, da wir zum ersten Mal ein Instrument mit ausreichender Empfindlichkeit haben, um ein neues zu eröffnen Fenster zur Erzeugung kosmischer Strahlung und zu den inneren Prozessen von GRBs ", sagte der Sprecher von IceCube und Physikprofessor Greg Sullivan von der University of Maryland. "Das unerwartete Fehlen von Neutrinos in GRBs hat eine Neubewertung der Theorie zur Erzeugung von kosmischen Strahlen und Neutrinos in einem GRB-Feuerball und möglicherweise der Theorie, dass in Feuerbällen hochenergetische kosmische Strahlen erzeugt werden, erzwungen." IceCube ist ein Partikeldetektor am Südpol, der die Wechselwirkungen eines nahezu masselosen Neutrinos aufzeichnet. Die Instrumente beobachten Neutrinos, indem sie das schwache blaue Licht erfassen, das bei Neutrino-Wechselwirkungen im Eis entsteht. Neutrinos können leicht durch Menschen, Mauern oder ganze Planeten wie die Erde reisen. Um ihre seltenen Wechselwirkungen zu erkennen, wurde IceCube in enormem Umfang gebaut. Ein Kubikkilometer Gletschereis, der 400-mal für die große Pyramide von Gizeh geeignet ist, ist mit 5.160 optischen Sensoren ausgestattet, die bis zu 2,5 Kilometer tief im Eis eingebettet sind. GRBs, die stärksten Explosionen des Universums, werden normalerweise zuerst von Satelliten mit X beobachtet Strahlen und / oder Gammastrahlen. GRBs werden ungefähr einmal pro Tag gesehen und sind so hell, dass sie auf halbem Weg durch das sichtbare Universum gesehen werden können. Die Explosionen dauern normalerweise nur wenige Sekunden und können in dieser kurzen Zeit alles andere im Universum übertreffen. Wissenschaftler sagen, dass ein verbessertes theoretisches Verständnis und mehr Daten vom konkurrierenden IceCube-Detektor den Wissenschaftlern helfen werden, das Geheimnis der Erzeugung kosmischer Strahlen besser zu verstehen. IceCube sammelt derzeit mehr Daten mit dem finalisierten, besser kalibrierten und besser verständlichen Detektor. IceCube wird von 250 Physikern und Ingenieuren aus den USA, Deutschland, Schweden, Belgien, der Schweiz, Japan, Kanada, Neuseeland, Australien und Australien betrieben Barbados.Mehr Infos zu IceCube.

Quelle: IceCube / Universität von Wisconsin

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