Neutrinos rasen weitgehend ungestört durchs All, weil sie fast nicht mit normaler Materie interagieren. Aber nur fast. Ausgerechnet unsere Erde ist ein effizienter Neutrino-Killer, wie ein Experiment beweist.

"Straight Outta Compton"? Wer beim Namen IceCube zuerst an das kalifornische Rap-Urgestein und die Crew N.W.A. denkt, tut einem der faszinierendsten wissenschaftlichen Experimente der Welt Unrecht.

Das heißt genauso und ist an der amerikanischen Amundsen-Scott-Forschungsstation am Südpol untergebracht. Um genau zu sein, befindet es sich nicht an der Station - sondern darunter.

Genau 5160 hochsensible Sensoren haben Forscher für "IceCube" bis zu zweieinhalb Kilometer tief im antarktischen Untergrund versenkt. Deren Aufgabe: Sie sollen einen Kubikkilometer Eis untersuchen - und nach kleinsten blauen Blitzen Ausschau halten.

Es geht um die sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Das feine Leuchten entsteht, wenn Neutrinos mit den Wassermolekülen des Eises kollidieren und eine Kaskade von Teilchenzerfällen in Gang setzen.

Das passiert allerdings eher selten, ein paar tausend Mal pro Jahr. Dabei prasseln pro Sekunde irgendwas zwischen 60 und 100 Milliarden der beinahe lichtschnellen Geisterteilchen auf jeden Quadratzentimeter der Erde ein.

Sie stammen von Supernova-Explosionen oder Gammastrahlen-Ausbrüchen in den Tiefen des Weltalls, aus der Sonne und - häufig - auch aus Zerfallsprozessen in der Erdatmosphäre, an denen kosmische Strahlung Schuld ist.

Teilchen als "Autisten des Mikrokosmos"

Das Problem: Neutrinos sind elektrisch neutral und haben nur eine sehr geringe Masse - für die Erkenntnis, dass sie überhaupt eine haben, gab es 2015 den Physiknobelpreis.

Insgesamt haben sie wenig Bestreben, mit Materie, wie wir sie kennen, in Kontakt zu treten. Dafür müssen sich die Teilchen als "Autisten des Mikrokosmos" schmähen lassen. Deswegen muss "IceCube" so genau hinsehen, um überhaupt Neutrinos zu entdecken.

Nun haben Forscher mit dem Detektor allerdings eine verblüffende Entdeckung gemacht: In dieser Woche hat die "IceCube Collaboration" im Fachmagazin "Nature" berichtet, dass unsere Erde beachtliche Mengen an Neutrinos aus den Tiefen des Alls stoppt. Obwohl die Teilchen ja eigentlich kaum zu stoppen sind.


Was ist da los? Ausgewertet wurden insgesamt 10.800 Kollisionen im Eis. Sie stammen aus einem Datensatz, der schon zwischen Mai 2010 und Mai 2011 gesammelt worden war.

Die Neutrinos waren auf ihrem Weg durch den Kosmos auch durch die gesamte Erde gerast, ehe sie am Südpol doch noch eine Spur hinterließen - weil sie mit den Wassermolekülen in der Umgebung "IceCube" kollidiert waren.

Das Faszinierende dabei: Zum Crash kam es vor allem bei besonders schnellen Partikeln aus den Tiefen des Alls. Bei diesen ist eine Interaktion mit Materie wahrscheinlicher, so sagt es das Standardmodell der Teilchenphysik. Allerdings war der Zusammenhang bisher nur für Neutrinos mit geringen Beschleunigungen nachgewiesen worden.

Erdumkreisende Neutrinos sind langsamer

Um sich vorzustellen, wie stark die Partikel beschleunigt sind, hilft ein Vergleich mit dem LHC am Kernforschungszentrum Cern in Genf. In dem riesigen unterirdischen Ring sind Protonen mit Energien von 13 Teraelektronenvolt (TeV) unterwegs.

Menschgemachte Neutrinostrahlen sind sogar noch einmal um den Faktor 20 schwächer. In der aktuellen "IceCube"-Studie wurden dagegen Neutrinos untersucht, die mit bis zu 980 TeV beschleunigt waren. (Inzwischen hat der Detektor sogar schon Teilchen im Bereich von Petaelektronenvolt, weit jenseits der 1000 TeV, gemessen.)

Bei der Auswertung der gesammelten Daten schauten die Forscher genau, von woher die hochenergetischen Neutrinos den Detektor erreichten.

Dabei zeigte sich, dass es aus der Richtung am wenigsten waren, aus der die Partikel auf ihrem Weg die ganze Erde durchqueren mussten - weil, so die Schlussfolgerung der Forscher, auf dieser Strecke vergleichsweise viele der Teilchen abgebremst wurden. So wie es das Standardmodell auch nahelegt.

"Wir hatten natürlich gehofft, dass wir eine Art von neuer Physik sehen würden", sagt Francis Halzen von der University of Wisconsin-Madison, Chef der "IceCube"-Kollaboration. "Aber wir haben unglücklicherweise gesehen, dass das Standardmodell, wie üblich, den Test besteht."

"Sehr wichtiger Test"

"Die so von 'IceCube' sichtbar gemachten hochenergetischen Neutrinos dringen in einen völlig neuen Bereich vor, der mit Beschleunigerexperimenten nicht erreicht werden kann", lobt Manfred Lindner, Direktor des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg im Gespräch mit dem SPIEGEL.

Die gefundene gute Übereinstimmung mit der Standardtheorie sei ein "sehr wichtiger Test", so der Forscher, der an der aktuellen Studie nicht beteiligt war.

Für ihn ist an den Ergebnissen vor allem interessant, dass sie "neuartige Physik" ausschlössen, "die sich in diesem Bereich zeigen müsste". Als Beispiel führt Lindner sogenannte Leptoquarks an, spekulative Elementarteilchen, die in manchen Modellen jenseits des Standardmodells Verwendung finden.

Den Wissenschaftlern ist es gewissermaßen gelungen, unseren Planeten zu einem gigantischen Neutrinodetektor zu machen. In Zukunft könnte das zum Beispiel auch für Geoforscher interessant sein.

Sie hoffen darauf, mit Hilfe von Neutrinos neue Informationen über das Innere der Erde zu bekommen - zum Beispiel darüber, wie und wo genau der radioaktive Zerfall der Elemente Uran und Thorium die Wärme für den Vulkanismus in unserem Planeten produziert.

Die Daten aus dem aktuellen Experiment reichten dafür aber noch nicht aus, hieß es.

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