Astrophysikalische Neutrinoquellen

Da Neutrinos nur sehr schwach wechselwirken, erweist sich ihre Detektion als schwierig. Die Stärke ihrer Wechselwirkung nimmt zwar mit der Energie zu; andererseits wird jedoch die Anzahl der Neutrinos mit wachsender Energie geringer. So ist es zu erklären, daß der Nachweis von Neutrinos sehr hoher Energie (mit Ausnahme der in der Erdatmosphäre erzeugten) mit bisherigen Teleskopen nicht gelungen ist.

Dennoch läßt sich aufgrund astrophysikalischer Modelle der (mögliche) Fluß (d.h. die Anzahl pro Zeit und Fläche) von galaktischen und extragalaktischen Neutrinos abschätzen. Hierbei zeigt sich, daß ihr Nachweis in Detektoren der nächsten Generation durchaus realistisch ist.

Ganz allgemein kann man bei Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs zwischen solchen aus hadronischen Quellen (bei denen beschleunigte Protonen eine wesentliche Rolle spielen) und solchen aus nichthadronischen Quellen unterscheiden.

Neutrinos aus hadronischen Quellen

Die Erzeugung von Neutrinos in hadronischen Quellen läßt sich auf ein einfaches Grundprinzip reduzieren: Für die Neutrinoproduktion sind Protonen erforderlich, die auf hinreichend hohe Energien beschleunigt worden sind (s.u.). Treffen diese auf andere Protonen oder auf Photonen (Lichtquanten), kann es zur Erzeugung von (geladenen) Pionen kommen, bei deren Zerfall ein Muon und ein Muon-Neutrino entstehen. (Der Einfachheit halber wird hier und im folgenden nicht zwischen Teilchen und Antiteilchen unterschieden.) Das Muon wiederum zerfällt in ein Elektron, ein Muon- und ein Elektron-Neutrino. Zusammengefaßt entstehen beim Zerfall eines (geladenen) Pions also ein Elektron- und zwei Muon-Neutrinos. Tauon-Neutrinos werden praktisch nicht erzeugt. Daher sollte bei hadronischen Quellen das Neutrinoverhältnis betragen. Oszillationen zwischen den verschiedenen Neutrinoflavors (d.h. Neutrinosorten) führen jedoch dazu, daß das Verhältnis bei Erreichen der Erde betragen dürfte.

Die Umsetzung des eben geschilderten Grundprinzips ist natürlich von Quelle zu Quelle verschieden, wie die folgende Liste von Kandidaten für Neutrinoquellen verdeutlicht.

• im wortwörtlichen Sinne am naheliegendsten ist die Erzeugung von Neutrinos in der Erdatmosphäre, die aus dem Einfall kosmischer Strahlung resultiert (die ja zum Teil aus Protonen besteht). Diese Neutrinos terrestrischen Ursprungs zeichnen sich gegenüber den im folgenden genannten Neutrinos dadurch aus, daß ihre Existenz aufgrund des Nachweises in AMANDA und NT-200 einwandfrei gesichert ist.

• Ebenso wie auf der Erde fällt die kosmische Strahlung natürlich auch auf der Sonne ein, so daß eine Erzeugung solarer Neutrinos zu erwarten ist. Der entsprechende Fluß ist jedoch so gering, daß mit einem Nachweis dieser Neutrinos erst bei den Detektoren der nächsten Generation zu rechnen ist.

  Diese Neutrinos sind nicht mit denen zu verwechseln, die aufgrund der Kernfusion im Sonneninneren entstehen. Letztere haben eine geringere Energie und können schon mit heutigen Detektoren nachgewiesen werden.

• Daß bei Supernovae Neutrinos erzeugt werden, steht zweifelsfrei fest, da bei der Supernova SN1987A entsprechende Neutrinos gefunden wurden. Aber auch Supernovaüberreste (d.h. die bei der Supernova abgestoßene, mit großer Geschwindigkeit expandierende Materie) können Neutrinos (höherer Energie) produzieren, da sie Stoßwellen ausbilden, an denen Protonen beschleunigt werden können.

• Aktive Galaktische Kerne (AGNs), d.h. Galaxienkerne, die eine mit der Leuchtkraft der sie umgebenden Galaxie vergleichbare Leuchtkraft aufweisen, bestehen aus einem Schwarzen Loch mit bis zu etwa einer Milliarde Sonnenmassen, auf das Materie einfällt. Die einfallende Materie bildet dabei eine Scheibe, die sogenannte Akkretionsscheibe. Zudem kommt es bei AGNs zur Ausbildung von Jets, d.h. von Materieauswürfen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und eine Länge von mehreren Millionen Lichtjahren erreichen können.

  An Stoßwellen in der Akkretionsscheibe oder im Jet können Protonen beschleunigt werden. Anschließend ist eine Wechselwirkung mit der Wärmestrahlung der Akkretionsscheibe oder der Synchrotronstrahlung (d.h. der Strahlung geladener Teilchen im Magnetfeld) des Jets möglich. Daher kommen AGNs als Neutrinoquellen in Frage.

  Die Neutrinoproduktion ist in AGNs nur dann möglich, wenn beschleunigte Protonen vorliegen, was die bisherigen Beobachtungen zwar nahelegen, aber nicht einwandfrei belegen. Insofern hätte der Nachweis von in AGNs erzeugten Neutrinos entscheidende Konsequenzen für AGN-Modelle.

• In der Umgebung eines Pulsars können die Kerne von Eisenatomen beschleunigt werden. Wechselwirken diese mit der Strahlung des Pulsars, können freie Neutronen entstehen, die in Protonen zerfallen. Sofern der Pulsar von einem Nebel umgeben ist, können dort aufgrund der Wechselwirkung der Protonen Neutrinos entstehen.

• Wenngleich der genaue Ursprung von Gamma Ray Bursts(GRBs) noch unklar ist, steht mittlerweile fest, daß es sich bei ihnen um gewaltige Explosionen in einem Abstand von bis zu mehreren Milliarden Lichtjahren handelt. Aufgrund der immensen bei ihnen freiwerdenden Energie erscheint es unausweichlich, daß Stoßwellen entstehen und somit die Erzeugung hochenergetischer Neutrinos möglich ist.

  GRBs sind aus zwei Gründen von besonderem Interesse: Zum einen sind sie extrem kurz, so daß der störende Untergrund in Neutrinoteleskopen entsprechend gering ist. Zum anderen bieten sie aufgrund ihrer riesigen Entfernung die Möglichkeit, Geschwindigkeitsunterschiede für verschiedene Neutrinoenergien sehr genau zu bestimmen. Diese könnten einen Hinweis auf die Notwendigkeit einer Erweiterung der Physik liefern.

Es bleibt noch zu erläutern, wie eigentlich die mehrfach erwähnte Protonenbeschleunigung erfolgen kann. Der hierfür vorgeschlagene Mechanismus (der als Fermibeschleunigung bezeichnet wird) läßt sich gut mit einem Tennisball erläutern, der zwischen zwei sich aufeinander zu bewegenden Wänden hin und her fliegt. Bei jeder Reflexion an einer der Wände nimmt seine Geschwindigkeit um die der Wand zu. Auf diese Weise kann der Ball also nach und nach auf beliebige Geschwindigkeiten gebracht werden.

Der Tennisball entspricht nun dem zu beschleunigenden Proton; die Rolle der Wände wird von Fluktuationen im Magnetfeld wahrgenommen, an denen das Proton gestreut wird. Im Gegensatz zum einfachen Modell mit dem Tennisball ist bei der Fermibeschleunigung jedoch zu beachten, daß ein Proton im Magnetfeld Synchrotronstrahlung abstrahlt und somit einen Energieverlust erleidet, der mit der Energie zunimmt und demnach die maximal zu erreichende Energie beschränkt.

Neutrinos aus nichthadronischen Quellen

Neben den bislang diskutierten hadronischen sind auch nichthadronische Neutrinoquellen denkbar. Diese erfordern jedoch eine Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Eine Möglichkeit für die nichthadronische Neutrinoerzeugung bietet die dunkle Materie, sofern sie zerfällt und bei ihrem Zerfall Neutrinos entstehen. Ein Überschuß an Neutrinos aus Richtung des Erdinneren, der Sonne oder des Zentrums der Milchstraße wäre ein Hinweis darauf.

Eine zweite Möglichkeit stellt der Zerfall sogenannter topologischer Defekte dar. Toplogische Defekte könnten hierbei bei einem nur im Rahmen der Quantenfeldtheorie zu verstehenden Übergang zu Beginn des Universums entstanden sein.