Ein halbfertiger Detektor im Mittelmeer fing das energiereichste Neutrino, das je gemeldet wurde. Nun hat IceCube sein Datenarchiv durchkämmt, und das Rekord-Neutrino wird dadurch noch rätselhafter.
Das Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol hat nach der Quelle jenes Neutrinos gesucht, das der Detektor KM3NeT im Mittelmeer aufgefangen hat, und nichts gefunden.
Das ist bemerkenswert, denn es ist das energiereichste je gemeldete Neutrino. Ein Himmelsobjekt, das solche Teilchen in der geschätzten Menge ausstößt, hätte nach gängigen Annahmen auch im antarktischen Eis Spuren hinterlassen müssen.
Die IceCube-Kollaboration durchsuchte dafür rund 15 Jahre Daten aus der Himmelsregion, aus der das Teilchen kam, und prüfte dauerhaft strahlende Quellen ebenso wie kurze Ausbrüche. Mit einer einzelnen Quelle, die Neutrinos in der von KM3NeT geschätzten Menge liefert, sind diese Daten kaum vereinbar.
Das Neutrino aus der Tiefsee vor Sizilien
Neutrinos sind Elementarteilchen, die fast ungehindert durch Materie fliegen, selbst quer durch die Erde. Weil Magnetfelder sie nicht ablenken, zeigt ihre Flugrichtung zurück auf den Ort ihrer Entstehung.
Stößt doch einmal eines mit einem Atom zusammen, entstehen geladene Teilchen, die im Wasser einen schwachen Lichtblitz erzeugen. Solche Blitze registriert KM3NeT mit Lichtsensoren, die tief am Meeresgrund vor Sizilien verankert sind.
Im Februar 2023 fing der damals erst zum Teil gebaute Detektor ein Neutrino mit rund zwanzigmal mehr Energie als der bisherige Rekordhalter von IceCube. Ein einzelnes Teilchen trug damit ungefähr so viel Energie wie ein Tischtennisball, der aus Brusthöhe zu Boden fällt. Die KM3NeT-Kollaboration hat den Fund in Nature veröffentlicht.
Die offene Frage nach der Herkunft
Seitdem rätseln Fachleute, woher das Teilchen stammt. Vorgeschlagen wurden unter anderem Blazare. Das sind Galaxien, deren zentrales Schwarzes Loch einen Materiestrahl in unsere Richtung schleudert.
Keine Idee hat sich durchgesetzt, weil ein einzelner Treffer wenig über seine Quelle verrät und KM3NeT die Richtung nur auf einen Himmelsausschnitt eingrenzen kann, der weit größer ist als der Vollmond.
Dazu passt schlecht, dass IceCube nie ein Neutrino dieser Klasse gesehen hat, obwohl das Observatorium schon viel länger misst und bei solchen Energien sogar empfindlicher ist.
Wie IceCube sein Datenarchiv durchsuchte
Diesem Widerspruch geht nun die IceCube-Kollaboration nach, deren Autorenliste alphabetisch sortiert ist. Die Hauptarbeit leisteten laut Danksagung Sarah Mancina aus Padua, Alicia Mand von der University of Wisconsin–Madison und Riya Shah von der Drexel University.
IceCube besteht aus Tausenden Lichtsensoren, die tief im antarktischen Eis hängen und dieselben Lichtblitze einfangen wie das Gegenstück im Mittelmeer. Die Studie ist bislang ein Preprint auf dem Server arXiv und noch nicht unabhängig begutachtet.
Das Team durchsuchte rund 15 Jahre Messdaten nach Neutrinos aus dem Himmelsausschnitt von KM3NeT. Es prüfte eine gleichmäßig strahlende Quelle, Ausbrüche rund um den Moment des Rekordtreffers und Ausbrüche zu beliebigen anderen Zeiten.
Außerdem sah es nach, ob das automatische Alarmsystem von IceCube angeschlagen hatte, das rund um die Uhr nach Häufungen von Neutrinos sucht.
Ein verdächtiger Blazar und ein auffälliger Punkt im Raster
Der naheliegendste Verdächtige lag mitten im Suchgebiet. Der Blazar PKS 0605-085 leuchtete ungefähr zur Zeit des Rekordtreffers besonders hell im Gammalicht, der energiereichsten Form von Licht, und steht ohnehin unter automatischer Beobachtung von IceCube.
Hätte er Neutrinos in der Menge ausgesandt, die der Fund im Mittelmeer nahelegt, hätte das Alarmsystem sehr wahrscheinlich angeschlagen. Zur fraglichen Zeit blieb es jedoch stumm.
Bei der Suche nach Ausbrüchen zu beliebigen Zeiten fiel dann doch eine Stelle auf. Das Team hatte den Himmelsausschnitt dafür in ein feines Raster zerlegt und an jedem Punkt nach zeitlichen Häufungen gesucht.
An einem Punkt zeigte sich eine Häufung, die durch reinen Zufall nur mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa eins zu 130 entstehen sollte. Wer so viele Punkte prüft, stößt aber fast zwangsläufig irgendwo auf einen solchen Wert, so wie jemand, der sehr viele Lose kauft, irgendwann einen kleinen Gewinn zieht.
Tatsächlich fand sich in praktisch jedem Testlauf mit künstlich durchmischten Daten ohne echtes Signal eine mindestens ebenso auffällige Stelle.
Was die fehlenden Neutrinos über die Quelle verraten
Am deutlichsten fällt das Ergebnis für kurze Ausbrüche aus. In der guten Viertelstunde rund um den Rekordtreffer fand IceCube keinen Hinweis auf auch nur ein einziges Neutrino aus dem Suchgebiet.
Das zählt, weil eine Quelle, die ein Neutrino mit so extremer Energie hervorbringt, nach gängigen Modellen viel mehr Neutrinos mit niedrigerer Energie aussendet, ähnlich wie ein Hagelschauer mit einem faustgroßen Brocken auch unzählige kleine Körner bringt.
Genau diese Neutrinos weist IceCube besonders gut nach. Seine Daten erlauben aus dieser Richtung nur einen Teilchenstrom, der sogar unter dem Bereich liegt, den KM3NeT trotz Messunsicherheit noch für plausibel hält.
Die Ergebnisse legen nahe, „dass das KM3NeT-Neutrino nicht mit einer kurzlebigen Quelle vereinbar ist“, die den geschätzten Teilchenstrom liefert, „vorausgesetzt, die Energieverteilung reicht bis in den Energiebereich von IceCube“, schreibt das Team.
Eine Erklärung durch ein einzelnes Objekt am Himmel sei damit unter verschiedenen Annahmen „stark eingeschränkt“, ob es nun dauerhaft strahlt oder nur kurz aufflackert. Mehr Klarheit sollen künftige Detektoren bringen, etwa der geplante Nachfolger IceCube-Gen2 oder ein Antennenfeld im grönländischen Eis.
Meine Meinung dazu
Dieses Nichts stellt nicht den Treffer im Mittelmeer infrage, wohl aber die einfachste Erklärung dafür.
Daran sehe ich, wie viel ein Ergebnis ohne Fund aussagen kann. Vielleicht ist der Strom solcher Teilchen viel schwächer, als ein einzelner Treffer vermuten lässt, und der halbfertige Detektor hatte schlicht großes Glück.
Vielleicht ist die Quelle aber auch keine gewöhnliche Teilchenschleuder, die nebenbei viele Neutrinos mit niedrigerer Energie ausstößt.
Ein einzelnes Teilchen mit der Energie eines aus Brusthöhe fallenden Tischtennisballs hinterlässt seine Spur vor Sizilien, und rund 15 Jahre Daten aus dem Eis verraten nicht, woher es kam.
Wenn dich dieses Rätsel so wenig loslässt wie mich, schick den Artikel an jemanden, mit dem du gern über solche Fragen grübelst.
Quelle: IceCube-Kollaboration (u. a. Sarah Mancina, Alicia Mand, Riya Shah), arXiv:2609.10931
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