Neutrino-Entdeckung Inside Scoop: Fragen und Antworten mit 'Godfather of IceCube' Francis Halzen

Wechselwirkung von Neutrino und Eismolekülen

In dieser Illustration hat ein Neutrino mit einem Eismolekül interagiert und ein Sekundärteilchen – ein Myon – erzeugt, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit im Eis bewegt und eine Spur blauen Lichts hinterlässt. (Bildnachweis: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)



Gestern (12. Juli) gaben Astronomen bekannt, dass sie zum ersten Mal überhaupt verfolgte ein superschnelles kosmisches Neutrino zu seiner Quelle — eine aktive Galaxie namens TXS 0506+056, die 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.



Der Fund impliziert solche aktiven Galaxien wie a Quelle für sich schnell bewegende geladene Teilchen, die kosmische Strahlung genannt wird , die unseren Planeten ständig bombardieren. Die Ursprünge der kosmischen Strahlung haben Forscher seit der Entdeckung der Teilchen im Jahr 1912 verwirrt.

Obwohl zahlreiche Teleskope dazu beigetragen haben, das Neutrino aufzuspüren, ist der Hauptakteur in dieser Geschichte das IceCube Neutrino-Observatorium, das am 22. September 2017 das schwer fassbare 'Geisterteilchen' entdeckte. [ Ein Neutrino zu seiner Quelle zurückverfolgen: Die Entdeckung in Bildern ]



IceCube besteht aus 86 „Strings“ von Lichtdetektoren, die tief unter dem Eis am Südpol eingeschlossen sind. Die Anlage schloss 2010 ein siebenjähriges Bauprojekt ab, konnte aber noch während des Baus nach Neutrinos suchen.

Francis Halzen, Physiker an der University of Wisconsin-Madison, leitet das Wissenschaftsteam des Projekts und ist als 'Godfather of IceCube' bekannt. guesswhozoo.com hat sich im Mai letzten Jahres während eines IceCube-Workshops in Atlanta mit Halzen zusammengesetzt, um die Geschichte des bahnbrechenden Observatoriums (siehe Teil 1 dieser zweiteiligen Fragen und Antworten) und die Auswirkungen der neuen Entdeckung zu diskutieren.

Francis Halzen, leitender Wissenschaftler des IceCube Neutrino-Observatoriums am Südpol.



Francis Halzen, leitender Wissenschaftler des IceCube Neutrino-Observatoriums am Südpol.(Bildnachweis: Zig Hampel-Arias, WIPAC)

guesswhozoo.com: Welche Bedeutung hat diese neue Entdeckung?

Franz Halzen:Vor weniger als fünf Jahren entdeckten die Menschen, dass es kosmische Strahlung gibt, die eine Million Mal die Energie des Strahls des Large Hadron Collider [LHC; der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt]. Es ist ein faszinierendes Problem, wie die Natur dies tun kann. Wenn [Wissenschaftler] einen Beschleuniger bauen müssten, um die energiereichste kosmische Strahlung zu beschleunigen, müssten Sie die Umlaufbahn des Merkur mit den LHC-Magneten füllen. Das ist also wirklich ein interessantes Problem.



Hier sind wir, 106 Jahre nachdem sie die Entdeckung [von kosmische Strahlung ], und wir haben keine Ahnung, woher sie kamen. Wir haben einige Vermutungen darüber, wie sie beschleunigt werden könnten, aber wir haben keine Ahnung. Die Bedeutung von TXS ist also, dass wir jetzt nach 106 Jahren eine Quelle haben, und das war's.

Das war der wichtigste Punkt, um uns das Geld zu geben. IceCube wurde [gebaut], um die Quelle der kosmischen Strahlung zu entdecken. Neutrinos können nur von Orten kommen, an denen Protonen und ihre Kerne beschleunigt werden. Wenn wir also eine Karte von Neutrinos erstellen, erstellen wir per Definition eine Karte von Beschleunigern der kosmischen Strahlung.

Das Problem war, dass die Karte einheitlich war. Wir [entdeckten] die Neutrinos im Jahr 2013. Aber anstatt, wie wir erwartet hatten, zuerst [Neutrinos aus] unserer eigenen Galaxie zu sehen, fanden wir tatsächlich zuerst extragalaktische Neutrinos. Wir wissen das, weil wir das gesamte Universum sehen, [nicht nur] die galaktische Ebene. Wir wussten also immer noch nicht, was die Quellen waren. Wir wussten, dass wir ein Werkzeug hatten, um sie zu finden.

Jetzt haben wir endlich eine Quelle.

guesswhozoo.com: Wird IceCube mit dem bevorstehenden Upgrade mehr Quellen wie TXS sehen?

Nacken:TXS blitzte einmal in 10 Jahren. Wir wissen das, weil wir über 10 Jahre Daten verfügen. Eigentlich gab es zwei Blitze, aber nur ein Spieler war wirklich spektakulär.

Wir haben im September letzten Jahres eine Warnung über ein Neutrino gesendet. Fermi [das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA] sagte uns, dass es etwas Besonderes gibt, einen Blazar, eine aktive Galaxie, die aufflammt. Es hat ein flackerndes supermassives Schwarzes Loch. Dadurch entstand diese Lawine der Multimessenger-Beobachtung [mit Teleskopen, die in verschiedenen Wellenlängen suchen].

Sobald wir wussten, wo wir am Himmel suchen mussten, konnten wir zurückgehen und uns unsere Daten der letzten neuneinhalb Jahre ansehen. Dann haben wir festgestellt, dass dies schon einmal passiert ist. Es geschah Anfang 2014, viel dramatischer. Anstatt einen Flare mit nur einem spektakulären Neutrino zu haben, hat dieser Flare 12 bis 14 Neutrinos, je nachdem, wie Sie zählen, wie Sie das Signal vom Hintergrund trennen. Das ist wirklich eine unglaubliche Sache; wir haben so etwas noch nie gesehen. [ Gamma-Ray-Universum: Fotos vom Fermi-Weltraumteleskop der NASA ]

Aber es ist einmal in 10 Jahren passiert. Unsere beste Vermutung basierend auf der einen Beobachtung ist, dass dies alle 10 Jahre passiert. Wenn Sie das 10-fache des Detektors [Größe] haben, sehen Sie einmal im Jahr [andere Blazare] blinken. Es wird also eine echte Goldgrube geben, sobald wir es entdecken. Ich denke, wenn wir mehr Quellen wie diese finden, werden wir es besser machen.

Bei diesem Künstler

In der Illustration dieses Künstlers beschleunigt ein Blazar Protonen, die Pionen produzieren, die Neutrinos und Gammastrahlen produzieren.(Bildnachweis: IceCube/NASA)

guesswhozoo.com: Wie wurde die Beobachtung von 2014 ursprünglich übersehen?

Nacken:Es wurde nicht vermisst. Das ist eine interessante Geschichte. Es war unglaublich. Ein Doktorand [Asen Christov] führte die Analyse durch und es war seine Abschlussarbeit. Er suchte nach Fackeln. Er hat sich im Grunde nur die höchsten Quellen auf der Karte angesehen, und dies war die zweithöchste, also hat niemand jemals darauf geachtet.

Es ist der Look-anderswo-Effekt. Wenn Sie sich 100.000 Orte am Himmel ansehen, werden Sie etwas finden, nur anhand von Statistiken. Diese Dinge wurden in Statistiken begraben. Fermi hat uns jedoch gesagt, wo wir suchen müssen. Wir haben es Fermi erzählt, und dann hat uns Fermi gesagt, das ist interessant.

In seiner Dissertation hatte [Christov] eine Liste, und dies war die zweite Quelle. Aber selbst wenn ich nachgesehen hätte, wir wussten nicht genug Astronomie. Und selbst wenn wir gesagt hätten, das ist TXS – mit dem ich nie mithalten würde – war daran nichts Besonderes, bis Fermi darauf hinwies.

Der Grund, warum ich dies betone, ist, dass wir diese Entdeckung nicht alleine hätten machen können. Fermi hätte diese Entdeckung nicht machen können, weil sie die ganze Zeit flammende Blazare sehen. Nur weil wir das zusammen gemacht haben. Soweit ich weiß, ist dies das erste Multimessenger-Ereignis, das anders nicht hätte passieren können. Kein anderes Experiment hätte dies tun können. Kein einziges Teleskop hätte dies schaffen können. Es zeigt also wirklich die Kraft des Tuns Multimessenger-Astronomie .

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