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Über die Geheimnisse hochenergetischer Teilchen aus astrophysikalischen Quellen

Neutrinojagd am Südpol

von Anna Franckowiak / anna.franckowiak@physik.hu-berlin.de

Anna Franckowiak. 2007 Diplom in Physik an der BUW, jetzt Doktorandin an der Humbold-Universität Berlin.

Um dem Wuppertaler Winter zu entfliehen und einen Blick über den Tellerrand zu werfen, entschloss ich mich Anfang 2006, mein Physikstudium für ein halbes Jahr im sonnigen Kalifornien fortzusetzen. An der University of California Irvine besuchte ich nicht nur Vorlesungen, sondern schnupperte auch in den Forschungsalltag hinein.

Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert hatte mir geholfen, einen Kontakt zu seinem amerikanischen Kollegen Prof. Steve Barwick in Irvine herzustellen, der mich mit dem spannenden Forschungsgebiet der Neutrinoastronomie vertraut machte. Zurück an der Bergischen Universität, vertiefte ich dieses Thema im Rahmen meiner Diplomarbeit bei Prof. Kampert.

Neutrinos sind ungeladene, fast masselose Elementarteilchen, die nur schwach mit anderer Materie wechselwirken. 70 Milliarden Neutrinos aus der Sonne passieren pro Sekunde die Fläche unseres Daumennagels. In unserem Leben wechselwirkt jedoch im Mittel nur eins dieser Sonnenneutrinos mit einem Atomkern in unserem Körper. Sie entstehen in radioaktiven Prozessen auf der Erde, in der Sonne und höchstwahrscheinlich anderen Objekten im Universum.

Neutrinos können große Mengen von Materie ungehindert durchdringen und auf diese Weise Informationen aus dem Inneren von Sternen und von weit entfernten Objekten im Universum liefern. Aus dem gleichen Grund sind die Neutrinos allerdings sehr schwer nachzuweisen. Dies gelingt nur mit Hilfe eines sehr großen Detektorvolumens. Findet eine seltene Wechselwirkung statt, dann entsteht ein anderes, geladenes Teilchen, das eine Lichtspur im Detektor hinterlässt. In einem transparenten Medium (Eis oder Wasser) kann diese Teilchenspur mit Lichtsensoren beobachtet werden.

Abb. 1: Tief verschneit: Das IceCube Experiment.

Der Bau eines solchen Neutrinodetektors, des AMANDA Detektors am geographischen Südpol, begann 1995 und wurde 2000 abgeschlossen. Seine Aufgabe ist die Detektion von hochenergetischen Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen.

Von besonderem Interesse ist der Nachweis von Neutrinos in Koinzidenz mit Photonen (Licht) von Gamma Ray Bursts (GRBs). Diese Gamma Ausbrüche sind während ihrer kurzen Dauer von ca. 20 Sekunden die hellsten Objekte im Universum. Ihr Energieausstoß in wenigen Sekunden ist vergleichbar mit dem der Milchstraße in mehreren Jahren oder dem der Sonne in 10 Milliarden Jahren. Ihre enorme Helligkeit erlaubt es, GRBs in kosmologischen Abständen zu beobachten. Der Nachweis von Neutrinos würde maßgeblich zum Verständnis der physikalischen Prozesse bei der Entstehung der GRBs beitragen. Darüber hinaus würde der Nachweis solch einer Koinzidenz die GRBs als mögliche Quelle für die höchstenergetische kosmische Strahlung identifizieren.

Abb. 2: Simuliertes Neutrinoereignis im IceCube Detektor.

In meiner Diplomarbeit habe ich die Daten des Neutrino- Detektors AMANDA in den Jahren 2000 – 2004 auf Koinzidenz mit 64 bekannten GRBs untersucht. Die GRBs wurden von Satelliten gemessen, die mit Gamma und Röntgeninstrumenten ausgestattet sind. Die untersuchte Gruppe von GRBs zeichnete sich dadurch aus, dass die Position der GRBs durch die Satelliten nicht exakt bestimmt, sondern nur auf eine bananenförmige Region am Himmel eingeschränkt werden konnte.

Ergebnis der Arbeit ist, dass in den Daten kein Neutrino in Koinzidenz mit einem der GRBs gefunden werden konnte. Die von AMANDA gesammelte Datenmenge reicht nicht aus, um die gängigen theoretischen Modelle zu widerlegen. Daher erlaubt uns das Ergebnis lediglich eine obere Schranke auf den von theoretischen Modellen vorausgesagten Neutrinofluss von GRBs anzugeben.

Um die theoretischen Modelle bestätigen oder widerlegen zu können, wird derzeit der größere Neutrinodetektor IceCube am Südpol aufgebaut, der mit einem Volumen von 1km2 ca. 100-mal größer als AMANDA ist und viele theoretische Modelle in wenigen Jahren überprüfen wird. Die bisher durchgeführten Analysen von AMANDA Daten legen einen Grundstein für die zukünftigen IceCube Arbeiten. So kann auch die in dieser Arbeit entwickelte Analysemethode auf IceCube Daten angewendet werden.

Abb. 3: Ein Photosensor des IceCube Experiments.

Seit Abschluss meines Studiums an der Bergischen Universität 2007 arbeite ich als Doktorandin an der Humboldt-Universität zu Berlin an der Entwicklung eines optischen Nachfolgeprogramms für den Neutrinodetektor IceCube. Interessante Neutrinosereignisse werden online selektiert und ihre Herkunftsrichtung gemessen. Finden wir so ein Ereignis, so alarmieren wir unmittelbar ein Netzwerk von optischen Teleskopen, damit diese die entsprechende Region am Himmel beobachten können. Die astrophysikalischen Quellen dieser Neutrinos, z.B. GRBs, könnten so von den Teleskopen identifiziert werden.

Im Rahmen meiner Promotion bekam ich die Gelegenheit, Anfang diesen Jahres beim Aufbau von IceCube vor Ort am Südpol mitzuwirken.

Mein Doktorvater, Dr. Marek Kowalski, hat einen Ruf an die Universität Bonn erhalten, der Ende des Jahres auch mich zurück ins Rheinland führen wird.