Das Neutrino ist eines der schwer fassbaren Teilchen im Universum, gleich nach der supergeheimnisvollen Dunklen Materie. Sie nehmen an der schwachen nuklearen Wechselwirkung teil und sind für Kernfusion und -zerfall verantwortlich. Wann immer etwas Nukleares passiert, gibt es Neutrinos. Zum Beispiel ist der Kern der Sonne eine riesige Kernfusionsreaktion, also produziert er natürlich ziemlich viele Neutrinos. Wissenschaftler sagen, dass, wenn Sie Ihren Daumen gegen die Sonne halten könnten, ungefähr 60 Milliarden Neutrinos jede Sekunde durch Ihren Daumennagel dringen würden. Aber Neutrinos interagieren so selten mit Materie, dass, obwohl Billionen und Aberbillionen von ihnen jede Sekunde Ihren Körper passieren, im Laufe Ihres Lebens die Gesamtzahl der Neutrinos, die Ihren Körper tatsächlich treffen, nicht mehr als eins beträgt.
Neutrinos sind so gespenstisch, dass Physiker jahrzehntelang davon ausgegangen sind, dass diese Teilchen überhaupt keine Masse haben und mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum reisen. Jüngste Studien haben bewiesen, dass es nur wenige Neutrinos gibt, aber sie sind wichtig. Die genaue Menge an Masse ist Gegenstand aktiver wissenschaftlicher Forschung. Es gibt drei Arten von Neutrinos: das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. Jedes ist an unterschiedlichen Arten von Kernreaktionen beteiligt, und leider haben alle drei Arten von Neutrinos die unheimliche Fähigkeit, ihre Identität auf ihrem Weg zu ändern.
Die Neutrinomasse hat keine Erklärung im Standardmodell der Teilchenphysik, unserer aktuellen und besten Theorie grundlegender Wechselwirkungen. Physiker würden also gerne zwei Dinge tun: die Massen der drei Arten von Neutrinos messen und verstehen, woher diese Massen kommen. Das bedeutet, dass sie viele Experimente durchführen müssen.
Das Kamiokande-Experiment in Japan beispielsweise ermöglichte den Nachweis von Neutrinos, die von der Supernova 1987A emittiert wurden. Dafür brauchten sie einen Tank mit mehr als 50 Tonnen Wasser. Das Neutrino-Observatorium IceCube in der Antarktis beschloss, die Messlatte höher zu legen. Dieses Observatorium besteht aus einem soliden Kubikkilometer Eis am Südpol, mit Dutzenden von Empfängerketten von der Größe des Eiffelturms, die einen Kilometer in das Eis eingetaucht sind. Nach zehn Jahren Betrieb hat IceCube einige der energiereichsten Neutrinos der Geschichte entdeckt und die ersten Schritte unternommen, um ihren Ursprung zu finden.
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Warum verbrauchen sowohl Kamiokande als auch IceCube so viel Wasser? Wissenschaftler sagen, dass ein großes Stück von fast allem ein Neutrino-Detektor sein kann, aber reines Wasser ist ideal. Wenn eines der Billionen vorbeiziehender Neutrinos mit einem zufälligen Wassermolekül kollidiert, sendet es einen kurzen Lichtblitz aus. Die Observatorien enthalten Hunderte von Fotorezeptoren, und die Reinheit des Wassers ermöglicht es diesen Detektoren, die Richtung, den Winkel und die Intensität des Blitzes sehr genau zu bestimmen (wenn das Wasser Verunreinigungen hätte, wäre es schwierig zu rekonstruieren, woher der Blitz im Innern des Blitzes kam Volumen).
Diese Studien eignen sich für die Suche nach gewöhnlichen, „alltäglichen“ Neutrinos. Aber die energiereichsten Neutrinos sind extrem selten – und sie sind die faszinierendsten und interessantesten, weil sie nur durch die größten Riesenereignisse im Universum verursacht werden können.
Leider konnte die ganze Kraft von IceCube nach einem Jahrzehnt der Beobachtung nur eine Handvoll dieser supermächtigen Neutrinos einfangen. Das Team der Initiative Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE) hat vorgeschlagen, ein isoliertes, aber riesiges Stück des Pazifischen Ozeans in einen Neutrino-Detektor zu verwandeln. Es wird davon ausgegangen, dass lange, kilometerlange Stränge von Fotodetektoren mit daran befestigten Schwimmern auf den Meeresgrund abgesenkt werden, sodass die Detektoren wie riesige mechanische Algen senkrecht im Wasser stehen.
Derzeit umfasst das P-ONE-Design sieben 10-Saiten-Cluster mit jeweils 20 optischen Elementen. Das sind insgesamt 1400 Fotodetektoren, die in mehreren Kilometern Entfernung im Pazifischen Ozean schwimmen. Wenn die Neutrinos auf das Meerwasser treffen und einen kleinen Blitz erzeugen, können die Detektoren ihn verfolgen.
Aber der Pazifische Ozean ist alles andere als sauber, da schwimmen Salz, Plankton und alle Arten von Fischabfällen herum. Dadurch wird das Verhalten des Lichts zwischen den Filamenten verändert, was eine genaue Messung erschwert. Daher stellten die Wissenschaftler fest, dass das Experiment eine konstante Kalibrierung erfordern wird, um alle Variablen anzupassen und Neutrinos zuverlässig zu verfolgen. Das P-ONE-Team arbeitet jedoch daran und plant bereits, eine kleinere Zwei-Stream-Demo als Proof of Concept zu erstellen.
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