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Widerspruch zu Einstein? 300-TeV-Photon hat die Reise zur Erde überstanden
Ein einzelnes photonartiges Ereignis mit rund 300 Teraelektronenvolt vom Gammablitz GRB 221009A stellt gängige Ausbreitungsmodelle vor ein Problem. Ein solches Photon sollte auf dem Weg zur Erde eigentlich absorbiert werden. Eine neue Analyse zeigt, dass Axion-ähnliche Teilchen allein kaum genügen, während bestimmte Modelle einer verletzten Lorentz-Invarianz das Signal erklären könnten, ohne damit schon neue Physik nachzuweisen.
Rom (Italien). Hochenergetische Gammaphotonen können auf dem Weg durch den Kosmos mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und dabei Elektron-Positron-Paare erzeugen. Dadurch wird das Universum bei mehreren hundert Teraelektronenvolt für weit entfernte Quellen praktisch undurchsichtig, weshalb ein GRB 221009A zugeordnetes Ereignis besonders auffällt.
Der Detektor Carpet registrierte ein photonartiges Luftschauer-Ereignis, dessen Energie nach der vollständigen Datenauswertung bei 300 Teraelektronenvolt mit einer Unsicherheit von plus 43 und minus 38 Teraelektronenvolt liegt. Die räumliche und zeitliche Übereinstimmung mit GRB 221009A ist bemerkenswert, aber nicht völlig eindeutig, denn für eine zufällige Übereinstimmung gibt die Analyse eine Wahrscheinlichkeit von rund 0,9 Prozent an.
Die neue theoretische Analyse prüft deshalb, welche Ausbreitungsmodelle ein solches Signal zulassen und berechnet unter konventionellen Annahmen nur ungefähr 10 hoch minus 96 erwartete Carpet-Photonen. Selbst ein Szenario mit Axion-ähnlichen Teilchen, kurz ALPs, bleibt im untersuchten Parameterbereich mehr als zwei Größenordnungen unter dem Erwartungswert, der für ein beobachtetes Ereignis bei 95 Prozent Konfidenz mindestens nötig wäre.
„Wir gingen von einer sehr einfachen Frage aus: Wie konnte dieses Photon eine Reise überleben, die es nach der bekannten Physik hätte zerstören müssen?“, erklärt Giorgio Galanti vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF).
ALPs sind hypothetische sehr leichte Teilchen, in die sich Photonen in Magnetfeldern vorübergehend umwandeln könnten, wodurch die gewöhnliche Absorption über kosmische Entfernungen teilweise umgangen würde. Solche Umwandlungen waren bereits als Erklärung für Photonen des Gammablitzes bis in den Bereich einiger zehn Teraelektronenvolt diskutiert worden. Für das Carpet-Ereignis mit rund 300 Teraelektronenvolt reicht dieser Effekt nach der neuen Analyse allein aber nicht aus.
Als zweite Zutat untersucht die Studie eine mögliche Verletzung der Lorentz-Invarianz (LIV), einer Grundannahme der speziellen Relativitätstheorie, die in einigen Ansätzen zur Quantengravitation bei extremen Energien leicht verändert sein könnte. In den betrachteten subluminalen LIV-Modellen verschiebt sich die Schwelle für die Paarbildung so, dass das 300-TeV-Photon die kosmische Hintergrundstrahlung wesentlich besser durchqueren könnte als nach Standardphysik.
Besonders konsistent wird das Bild, wenn die Forscher die LIV-Modifikation mit Photon-ALP-Umwandlungen verbinden, denn dann können die ALPs vor allem die weniger energiereichen Photonen erklären, während LIV für das Carpet-Ereignis entscheidend wird. Die Arbeit legt damit keinen einzelnen nachgewiesenen Effekt fest, sondern beschreibt einen gemeinsamen Parameterraum, der die höchsten Energien von LHAASO und Carpet zusammen abbilden kann.
„Der interessanteste Aspekt unserer Arbeit ist, dass sie zum ersten Mal zwei Ideen zusammenführt, die bislang getrennt entwickelt wurden“, sagt Marco Roncadelli vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Ein weiterer Konsistenzcheck betrifft die Ankunftszeit, weil eine unabhängige Auswertung den mehr als einstündigen Zeitversatz zwischen den sehr hochenergetischen LHAASO-Photonen und dem Carpet-Ereignis mit einer quadratischen LIV-Variante erklären kann. Der dabei abgeleitete LIV-Parameter liegt in dem Bereich, den auch Galanti und Roncadelli für das 300-TeV-Signal zulassen, was die beiden getrennt untersuchten Beobachtungsmerkmale miteinander vereinbar macht.