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Neutrino-„Flüstern“: Supernova-Teilchen aus dem frühen Universum entdeckt?
Kosmisches Flüstern: Im japanischen Super-Kamiokande zeichnet sich erstmals ein statistischer Hinweis auf den diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund ab. Das Signal vereint Neutrinos zahlloser explodierter Sterne aus der gesamten kosmischen Geschichte. Noch reicht die Signifikanz von 2,6 Sigma nicht für eine Entdeckung, doch der Befund könnte ein neues Fenster auf Sternentstehung und Elementbildung öffnen.
Kashiwa (Japan). Wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren, schleudern sie nicht nur Materie und neu gebildete Elemente ins All. Ein großer Teil ihrer Energie entweicht als Neutrinos, extrem leichte und elektrisch neutrale Teilchen, die Materie fast ungehindert durchdringen.
Von jeder einzelnen fernen Supernova erreichen die Erde nur wenige dieser Teilchen. Doch über Milliarden Jahre haben sich die Neutrinos unzähliger Sternexplosionen zu einem schwachen kosmischen Hintergrund addiert. Dieser diffuse Supernova-Neutrino-Hintergrund, kurz DSNB, galt bislang als eines der schwer fassbaren Signale der Neutrinoastronomie.
Die Super-Kamiokande-Kollaboration hat nun rund 5.000 Beobachtungstage ausgewertet und dabei erstmals einen statistischen Hinweis auf dieses Hintergrundsignal gefunden. Das Ergebnis liegt mit 2,6 Sigma noch klar unter der üblichen Entdeckungsschwelle, stimmt aber in seiner Stärke mit theoretischen Erwartungen überein.
Für die Analyse kombinierte das Team 3.349 Messtage aus dem Betrieb mit reinem Wasser zwischen 2008 und 2020 mit weiteren 1.653 Tagen seit 2020, in denen dem Wasser Gadolinium zugesetzt ist. Super-Kamiokande besteht aus einem 50.000 Tonnen fassenden Wassertank rund 1.000 Meter unter der Erde und registriert die Lichtblitze geladener Teilchen mit ungefähr 13.000 Photomultipliern.
Das zugesetzte Gadolinium fängt Neutronen besonders effizient ein. Dadurch lässt sich die für Supernova-Antineutrinos typische Kombination aus einem Neutrinoereignis und dem nachfolgenden Neutroneneinfang besser von Untergrundsignalen unterscheiden. Gerade diese verbesserte Unterdrückung von Störereignissen macht die aktuelle Suche empfindlicher als frühere Auswertungen.
„Mehr als zwanzig Jahre nachdem wir erstmals eine Möglichkeit vorgeschlagen haben, Super-Kamiokande den DSNB nachweisen zu lassen, ist es sehr aufregend, nun endlich diese vielversprechenden Ergebnisse zu sehen“, sagt Mark Vagins vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).
Nach dem Herausfiltern von Untergrund, vor allem atmosphärischen Neutrinos und durch kosmische Strahlung ausgelösten Reaktionen im Wasser, blieb im Energiebereich von 13,3 bis 81,3 Megaelektronenvolt ein Überschuss übrig. Die Kollaboration gibt dessen statistische Signifikanz mit 2,6 Sigma beziehungsweise einem Konfidenzniveau von 99,5 Prozent an.
Für den diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund ergibt sich daraus ein geschätzter Fluss von 3,6 plus oder minus 1,6 Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde. Dieser Wert liegt im Bereich mehrerer theoretischer Modelle. Von einem eindeutigen Nachweis sprechen die Forscher dennoch nicht, denn dafür gilt in der Teilchenphysik gewöhnlich eine Schwelle von mindestens fünf Sigma.
„Zugleich liegt die statistische Signifikanz derzeit bei 2,6 Sigma, und für einen eindeutigen Nachweis sind mehr Daten und weitere Verbesserungen der Analyse unerlässlich“, erklärt Hiroyuki Sekiya vom Institute for Cosmic Ray Research (ICRR).