Flüchtige Teilchen als Boten der Unterwelt

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Geowissenschaftler untersuchen seit Jahrzehnten das Innere unseres Planeten. Nun bietet die Neutrino-Astronomie einen neuen Zugang zum Erdkern.

Unter Physikern kursiert der Scherz, man wisse mehr über die Innereien ferner Sterne als über das Zentrum unseres eigenen Planeten. Das ist insofern wenig überraschend, als man in beide nicht hineinsehen kann und ein Planet wie die Erde wesentlich komplexere Materialverhältnisse aufweist als ein Stern. Bei den enormen Temperaturen im Zentrum der Sterne werden alle Atome zum Plasma, das sich einfacher simulieren lässt als das Materialgemisch in einem Planetenkern.

Ein neues Fenster zum Erdkern

Selbst die tiefsten Bohrkerne kratzen nur an der äußersten Schicht der Erde. Bislang mussten Geowissenschaftler deshalb auf indirekte Verfahren zurückgreifen, um Aufschluss über die Geschehnisse tief unter der Erdoberfläche zu erhalten. Dazu gehört die Analyse seismischer Wellen nach Erdbeben (siehe unten) ebenso wie Schwerkraftmessungen oder die Messung und Modellierung des Erdmagnetfelds. Dank der Neutrino-Astronomie öffnet sich nun aber ein ganz neues Fenster, um unseren eigenen Planeten besser zu verstehen: Ein Forscherteam um Andrea Donini von der Universität Valencia hat Daten des Südpol-Neutrino-Observatoriums Ice Cube ausgewertet, um ein Dichteprofil der Erde zu erstellen („Nature Physics“).

Ice Cube besteht aus über 5000 Detektoren, die über einen Kubikkilometer verteilt tief ins Eis der Antarktis eingelassen sind. Da keine anderen Teilchen außer den Neutrinos die Erde durchdringen können, verbleiben nur diese „Gespensterteilchen“ als mögliche Kandidaten, wenn der Detektor aus dieser Richtung kommend eine Teilchenspur erspäht.

Wechselwirkungen energiereicher Neutrinos

Niederenergetische Neutrinos entstehen bei vielen kosmischen Ereignissen: Unter anderem bei der Energieerzeugung im Zentrum der Sonne werden sie in großer Zahl freigesetzt. Diese Neutrinos treten nur selten mit Materie in Wechselwirkung. Hunderte Billionen von ihnen durchströmen jede Sekunde den menschlichen Körper, ohne irgendeinen Effekt zu hinterlassen. Bei den sehr viel selteneren hochenergetischen Neutrinos wandelt sich das Bild jedoch: Bei Energien, die rund eine Million Mal höher sind als die von jenen Neutrinos, die aus dem Herzen der Sonne stammen, nimmt die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion mit Atomkernen dramatisch zu.

Dermaßen energiereiche Neutrinos, deren Energien die Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke übersteigen, kommen nicht aus gewöhnlichen Quellen, sondern sind die Endprodukte extremer Prozesse in den Tiefen des Alls: Im Umfeld schwarzer Löcher oder von Supernova-Explosionen werden allerhand Teilchen auf höchste Energien gebracht – weit jenseits dessen, was irdische Teilchenbeschleuniger zu leisten imstande sind.

20.000 Neutrinos geben Auskunft über den Erdkern

Diese Teilchen prasseln unentwegt aus allen Himmelsrichtungen auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre und erzeugen dabei ganze Teilchenschauer von Sekundärteilchen – darunter auch hochenergetische Neutrinos. Für diese ist die Erde nicht mehr transparent: Rund die Hälfte von ihnen wird beim Flug durch die Erde absorbiert – und zwar umso mehr, je dichter das Material ist. Andrea Donini und seine Kollegen haben deshalb über 20 000 solcher hochenergetischen Neutrino-Ereignisse analysiert, die Ice Cube in den Jahren 2011 und 2012 gemessen hatte. Dabei konnten die Forscher deutlich sehen, dass die Neutrinos am stärksten absorbiert wurden, wenn sie den dichten Erdkern durchquert hatten.

Anhand dieses „Neutrino-Röntgenbilds“ der Erde erstellten die Wissenschaftler ein Dichteprofil unseres Planeten und verglichen es mit dem gängigen Erdmodell der Geophysik. Es waren keine Überraschungen zu sehen: Die Ergebnisse stehen miteinander in Einklang. Die Neutrino-Daten sind allerdings noch ziemlich grob und weisen hohe statistische Fehler auf. Es werden Messungen über sehr viel längere Zeiträume notwendig sein, um so exakte Neutrino-Röntgenbilder zu erhalten, dass sich damit die geologischen Standardmethoden überprüfen oder in Frage stellen lassen.

Das ändert allerdings nichts daran, dass die planetare Neutrino-Röntgentomographie eine interessante Möglichkeit darstellt, den Geheimnissen des Erdinnern mit einer neuen, von geophysikalischen Prämissen völlig unabhängigen Methode auf die Schliche zu kommen. Wenn in den kommenden Jahren weitere leistungsstarke Neutrino-Observatorien in Betrieb gehen – insbesondere das europäische KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) im Mittelmeer –, dann lassen sich Stereobilder des Erdkerns erzeugen, die mit herkömmlichen geophysikalischen Methoden nur schwer zu gewinnen sind.

Die Forscher rechnen damit, dass sie Neutrino-Daten aus einem Zeitraum von rund zehn bis 15 Jahren benötigen werden, bis ihr Röntgenbild scharf genug wird, um wesentlich neue Informationen zu liefern. Die noch junge Neutrino-Astronomie öffnet so nicht nur ein neues Fenster in den Kosmos, sondern auch in die Geschehnisse tief unter unseren Füßen.

 

Quelle:http://www.faz.net/aktuell/wissen/erde-klima/neutrino-astronomie-fluechtige-teilchen-als-boten-der-unterwelt-15887779.html

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