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Gigantische Versuchsanordnung im arktischen Eis findet Geisterteilchen

Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.  (c) Foto: IceCube Collaboration/NSF
Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.
(c) Foto: IceCube Collaboration/NSF

Darauf hat die IceCube-Kollaboration seit Jahren hingearbeitet. Nun deutet alles darauf hin, dass den Forschern im antarktischen Eis Neutrinos von außerhalb unseres Sonnensystems ins Netz gegangen sind. Unter den gefundenen Ereignissen befinden sich Neutrinos mit Energien, die tausendmal höher sind, als man sie auf der Erde selbst erzeugen kann. Diese kosmischen Neutrinos können einzigartige Informationen über den Aufbau von Supernovas, Gamma-Ray-Blitze oder Schwarzen Löchern liefern.

Das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ist weltweit einmalig. In einem Kubikkilometer Eis sind insgesamt 5.160 hochempfindliche Lichtsensoren installiert. Wenn doch mal ein Neutrino im Eis wechselwirkt, entstehen geladene Teilchen die mit nahezu Lichtgeschwindigkeiten weiterfliegen. Diese erzeugen ein schwaches bläuliches Licht, das von den Detektoren aufgefangen wird.

„Wir sehen hochenergetische Neutrinos, von denen wir jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen können, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind“, sagt Prof. Dr. Marek Kowalski vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Neutrinos sind ganz besondere Teilchen: Sie können anders als elektromagnetische Strahlung sämtliche Materie durchdringen. Mit ihrer Hilfe lässt sich wie mit einem Röntgenapparat in die verstecktesten Winkel des Universums blicken. Allerdings wechselwirken diese Teilchen kaum und könnten selbst von einer Bleiabschirmung mit 1000 Kilometer Dicke nicht aufgehalten werden. Ihr Nachweis ist deshalb besonders schwierig. Mit der gigantischen Messeinrichtung „IceCube“ in der Antarktis sind nun dennoch zum ersten Mal Hinweise für hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall gefunden worden.

Die meisten Neutrinos auf der Erde entstehen bei niedrigen Energien durch Kernfusion in der Sonne, sie können sich aber auch in der Erdatmosphäre bilden. Die Forscher des IceCube Projektes interessieren sich aber besonders für hochenergetische Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen – zum Beispiel von Supernovas, Gamma-Ray-Blitzen oder galaktischen Schwarzen Löchern. Denn Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die aus dem Inneren dieser Quellen entkommen können und damit einzigartige Informationen über ihren Aufbau liefern.

Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie

Gelungen ist der Nachweis der Neutrinos einem internationalen Team von rund 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren der IceCube-Kollaboration unter Beteiligung der Astroteilchen-Gruppe von Prof. Kowalski. Mit der gigantischen Versuchsanordnung im antarktischen Eis wurden in den vergangenen zwei Jahren insgesamt 28 Neutrinos mit Energien größer als 30 Tera-Elektronenvolt (TeV), darunter zwei Ereignisse mit über 1000 TeV registriert. Dieser Fund war für die Forscher so bedeutsam, dass die Teilchen sogar eigene Namen bekamen: Ernie & Bert – den beiden beliebten Figuren aus der Fernsehserie „Sesamstraße“.

Mit der verbesserten Analyse der Daten, die nun auch die Richtung der Neutrinos liefert, konnten nicht nur diese beiden, sondern ein Großteil dieser Teilchen als potentielle kosmische Fernreisende identifiziert werden. „Das ist der erste Hinweis auf hochenergetische Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen“, sagt Prof. Dr. Francis Halzen, Projektleiter des IceCube-Experiments von der Universität Wisconsin-Madison (USA). „Dies ist die Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie.“

Ein Rätsel bleiben jedoch noch die Quellen, aus denen die Neutrinos im Weltraum stammen. Eine Möglichkeit sind Supernovas, bei denen die hochenergetischen Teilchen freigesetzt werden. Das Bild, das sich aus dem IceCube-Experiment abzeichnet, stellt sich für die Wissenschaftler noch verschwommen dar. „Wir können die kosmischen Quellen der Teilchen noch nicht nachweisen, weil wir bislang nicht exakt genug bestimmen konnten, aus welcher Richtung die Neutrinos aus dem Weltall in das Eis eindringen“, erklärt Prof. Kowalski. Die Forscher hoffen darauf, demnächst noch mehr Teilchen nachzuweisen, damit sich die Quellen allmählich schärfer abzeichnen.

Publikation: Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science, DOI: 10.1126/science.1242856

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Superloch im All: Paralleluniversum entdeckt?

»WMAP Cold Spot« auf der Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung, die der WMAP-Satellit erstellt hat

Der Kosmologe Lawrence Rudnick von der University of Minnesota traute seinen Augen nicht, als er die vom WMAP-Satelliten aufgenommene Hintergrundstrahlung genauer untersuchte. Er entdeckte etwas, was es eigentlich gar nicht geben darf: ein Superloch in der südlichen Himmelssphäre. Es könnte durch den Einfluss eines Paralleluniversums gebildet worden sein mutmaßt Rudnicks Kollegin, die Professorin Laura Mersini-Houghton von der University of North Carolina.

Die elektromagnetische Strahlung aus dem All, die von keinen bestimmten Himmelsobjekten stammt und die in allen Richtungen auftritt, bezeichnet man als kosmische Hintergrundstrahlung. Die Eigenschaften des Mikrowellenhintergrunds gelten als empirischen Beweis für die Entstehung unseres Universums in einem Urknall, weil die Vorhersagen der Urknalltheorie sehr gut mit den gefundenen Messwerten übereinstimmen. Die Hintergrundstrahlung hat eine Temperatur von ca. drei Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) und ist außerordentlich gleichförmig, in welche Richtung man auch schaut. Die Temperaturschwankungen in kleinen Bereichen betragen nur etwa 0,001 % und sind das Abbild der Dichteschwankungen der Materie aus der Frühzeit des Universums. Aus solchen Dichteschwankungen hat dann die Schwerkraft im Laufe von Milliarden Jahren die Sterne und Galaxien geformt.

Was Rudnick stutzig machte, ist ein kalter Fleck (»WMAP Cold Spot«) auf der Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung, die der WMAP-Satellit erstellt hat. Der kalte Fleck befindet sich mitten im Sternbild Eridanus und umfasst einen Winkel von 10 Grad am Himmel. Das entspricht der unvorstellbaren Größe von 900 Millionen Lichtjahren Durchmesser in 8 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Temperatur des Flecks ist um Größenklassen geringer, als nach der durchschnittlichen Temperaturschwankung sein dürfte. Die Wahrscheinlichkeit für eine Schwankung solchen Ausmaßes beträgt höchstens eins zu einer Milliarde und ist damit rund hundert Mal geringer, als sechs Richtige im Lotto zu erzielen.

Es gibt verschiedene exotische Erklärungen für das Phänomen, das es eigentlich nicht geben darf. Der kalte Fleck könnte beispielsweise eine Art Knoten in der Raumzeit sein. Die einfachste Erklärung jedoch, die in der Wissenschaft im Regelfall vorzuziehen ist, geht von einem gigantischen Leerraum aus, dessen Volumen das 1000-fache eines typischen Leerraums zwischen den Galaxien beträgt. Die der seriösen Wissenschaft angehörende Kosmologin Mersini-Houghton vermutet, das Superloch sei durch den Einfluss eines parallelen Universums entstanden. Sie hat die Existenz eines solchen Lochs bereits vor seiner Entdeckung, nämlich im Jahr 2006 vorausgesagt.

Mersini-Houghton geht wie der Großteil ihrer Kosmologen-Kollegen davon aus, dass der Urknall kein einzigartiges Ereignis war, sondern nur der Anfang eines Universums unter vielen, das sich ähnlich einer Blase im Schaumbad bildet. Und es gibt nahezu unendlich viele Blasen. Jede Einzelne enthält ein Universum mit eigenen Eigenschaften, eigenen Naturgesetzen und eigenen Naturkonstanten.

Es waren aber nicht die Kosmologen, sondern die Quantenphysiker, die als Erste beim Versuch die quantenphysikalischen Formeln zu interpretieren auf die Idee vieler Welten kamen. Nach der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik, die ursprünglich von Hugh Everetts stammt, verzweigen sich die bereits existierenden Universen jedes Mal, wenn Messungen durchgeführt werden oder Entscheidungen fallen. Dadurch werden alle Alternativen, die laut Wellenfunktion der Quantenmechanik eine positive Wahrscheinlichkeit besitzen, in irgendwelchen parallelen Universen realisiert.

Von dem europäischen PLANCK-Satelliten, der in wenigen Monaten startet und dem Teilchenbeschleuniger LHC in Genf erhofft man sich weitere Erkenntnisse, welche die Existenz eines Paralleluniversums beim »WMAP Cold Spot« widerlegt oder bekräftigt. Die tatsächliche Entdeckung eines Paralleluniversums wäre die Bestätigung für zahlreiche bisher kontrovers diskutierte Hypothesen. Der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek sieht beispielsweise in seinem kürzlich erschienenen Buch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein« einen Zusammenhang zwischen der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik und dem freien Willen des Menschen. Freier Wille setzt nach seiner Meinung voraus, dass es parallele Welten gibt. Denn wenn man davon ausgeht, dass die vierdimensionale Raumzeit der Einsteinschen Relativitätstheorie etwas Statisches, aber das Leben des Menschen nicht uhrwerkartig determiniert ist, müssen parallele Raumzeit-Universen existieren, damit es für den freien Willen eine freie Wahl unter Alternativen gibt, in die aufgrund von Entscheidungen verzweigt werden kann. Rudnicks Entdeckung des Superlochs im All kann auch für diese Hypothese eine Bestätigung sein.

Helfen Biophotonen bei der medizinischen Diagnose?

Wissen Sie über Biophotonen Bescheid? Hier jetzt die Antwort!

In der Biophysik und Alternativmedizin wird von einigen Autoren der Begriff Biophotonen für diejenigen Lichtquanten verwendet, die ein Teil der schwachen elektromagnetischen Strahlung biologischer Zellen sind. In den 1970er Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler Photonenstrahlung aus biologischem Gewebe nach, unter anderem der deutsche Physiker Fritz-Albert Popp, der zunächst an der Universität Marburg arbeitete und später ein neues Institut für seine Forschungen gründete. Popp vermaß das Spektrum dieser Strahlung und fand Wellenlängen zwischen 200 und 800 nm mit einer kontinuierlichen Verteilung, sowie Intensitäten von wenigen bis einigen hundert Quanten pro Sekunde und pro Quadratzentimeter Oberfläche.

In der Fortschrittswelt, in der Professor Allmans X-Team sich schließlich materialisiert, dienen Biophotonen zur medizinischen Diagnose.

Weitere Links:
Artikel in Spiegel-Online