Unsere Erde wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Doch woher dieser Regen aus energiereichen, geladenen Teilchen kommt, ist bisher erst in Teilen geklärt. So scheinen Partikel mit geringeren Energien von der Sonne, benachbarten Sternen und auch vom Zentrum der Milchstraße auszugehen. Auch bei Supernovae wird solche Strahlung frei.

Rätselhaft aber bleibt bisher, wo die Quelle des energiereichsten Anteils der kosmischen Strahlung liegt. Diese Partikel rasen mit Energie von mehr als acht Exa-Elektronenvolt (EeV) durch den Weltraum – dies ist rund eine Million Mal mehr als die Teilchen im Large Hadron Collider (LHC), dem stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt. Denn diese fliegen mit „nur“ rund acht Tera-Elektronenvolt durch den Ring.

Mysteriöser Ursprung

„Die Existenz von kosmischer Strahlung mit solchen ultrahohen Energien ist seit rund 50 Jahren bekannt, aber die Orte und Mechanismen ihrer Produktion sind noch immer ein Mysterium“, erklären die Forscher der Pierre Auger Kollaboration. Einer der Gründe dafür: Diese Extremstrahlung ist selten. Pro Jahr trifft nur ein einziges Teilchen pro Quadratkilometer auf die Erdatmosphäre. Dort kollidiert es mit Gasteilchen und erzeugt einen sich nach unten hin ausbreitenden Schauer von Sekundärteilchen.

Doch es gibt ein weiteres Problem: Sowohl das Magnetfeld unserer Milchstraße als auch interstellare Felder lenken die geladenen Teilchen aus ihrer ursprünglichen Flugbahn. Daher können die Astronomen ihren Ursprung nicht direkt bestimmen. Ermitteln sie aber die Richtungsverteilung von möglichst vielen solcher hochenergetischen Partikel, dann kann dies zumindest verraten, ob die Quellen gleichmäßig im All verteilt sind oder ob die energiereichste komische Strahlung vermehrt aus einer Richtung kommt.

Wassertanks und Teleskope

Genau dies ist den Forscher nun mit dem Pierre Auger Observatorium in Argentinien gelungen. Die Anlage besteht aus 1.600 Wassertanks, die über eine Fläche von 3.000 Quadratkilometer verteilt sind. Wenn Sekundärteilchen der kosmischen Strahlung mit den Wassermolekülen kollidieren, erzeugt dies Lichtblitze, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Aus der Art dieser Blitze lässt sich die Flugbahn und Energie der kosmischen Strahlung rekonstruieren.

Vier Teleskope registrieren zusätzlich die Fluoreszenz, die die Strahlung bei ihrer Passage durch die Erdatmosphäre erzeugt. Dieses schwache Leuchten entsteht, weil die Partikel bei ihren Kollisionen Energie an die Luftteilchen übertragen. Diese setzen diese überschüssige Energie als Licht ab. Durch diese Kombination von Detektoren hat das Auger-Observatorium in den letzten zwölf Jahren rund 30.000 Fälle von kosmischer Extremstrahlung eingefangen – und dadurch den Astronomen erstmals einen Einblick geliefert, woher die energiereichste kosmische Strahlung kommt.

Nicht aus unserer Galaxie

Das überraschende Ergebnis: Während die kosmische Strahlung niedrigerer Energien gleichmäßig aus allen Richtungen kommt, ist dies bei den hochenergetischen Partikeln nicht der Fall. Die Astronomen registrierten in den Richtungsdaten der Extremstrahlung eine leichte, aber signifikante Asymmetrie. Demnach kommen besonders viele Teilchen aus einem Himmelsgebiet, das 90 Grad vom galaktischen Zentrum entfernt liegt und viele Galaxien enthält. Bereits 2014 hatte ein Detektor in den USA eine ähnliche Asymmetrie entdeckt, diese beruhte jedoch auf viel weniger Ereignissen.

Nach Ansicht der Astronomen sprechen die Ergebnisse dafür, dass diese Strahlung nicht aus unserer Milchstraße kommt. „Magnitude und Richtung dieser Anisotropie stützen die Hypothese, dass die energiereichste kosmische Strahlung extragalaktischen Ursprungs ist“, konstatieren die Forscher. Damit ist es ihnen damit gelungen, die Herkunft dieser rätselhaften Extremstrahlung zumindest einzugrenzen.

Quellen noch immer rätselhaft

Allerdings: Was diese hochenergetischen Teilchenströme erzeugt, ist noch immer offen. „Die Partikel, die wir registrieren sind so energiereich, dass sie von extrem gewaltsamen Ereignissen herrühren müssen“, sagt Gregory Snow von der Pierre Auger Kollaboration. Die Astronomen vermuten daher, dass beispielsweise die supermassereichen Schwarzen Löcher im Herzen ferner Galaxien diese kosmische Strahlung produzieren könnten.

„Es gibt Hinweise darauf, dass die sehr aktiven Schwarzen Löcher einiger Galaxien Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen können“, erklärt Snow. Er und seine Kollegen hoffen, dass eine zurzeit laufende Aufrüstung des Auger-Observatoriums sie bei der Lösung des Herkunftsrätsels weiterbringen wird. Denn das Upgrade soll durch zusätzliche Detektoren und eine verbesserte Auswertungstechnik die Präzision weiter verbessern. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aan4338)

Der gängigen Theorie nach könnte unter extremen Bedingungen im Kosmos eine Quanten-Anomalie auftreten: In den extremen Gravitationsfeldern von Neutronensternen, Schwarzen Löchern oder im Quark-Gluon-Plasma kurz nach dem Urknall wird demnach eine grundlegende Symmetrie durchbrochen. Bei normalerweise spiegelsymmetrischen Paaren Teilchenpaaren soll dadurch eines der Teilchen nun häufiger vorkommen oder mehr Energie und Impuls besitzen als sein Partner.

Auf der Erde nicht messbar?

Allerdings: Weil diese sogenannte axial-gravitationale Quanten-Anomalie nur unter diesen Extrem-Bedingungen vorkommt, hielt man sie bisher für experimentell nicht beweisbar. Denn kein Labor der Welt kann die enorme Schwerkraft in einem Neutronenstern nachbilden. „Diese Anomalie ist so schwer zu messen, dass selbst indirekte Belege schon ein großer Durchbruch sind“, erklärt Koautor Adolfo Grushin von der University of California in Berkeley.

Genau dies könnte ihm und seinen Kollegen nun gelungen sein. Sie haben herausgefunden, dass Temperaturgradienten in exotischen Kristallen den Effekt der starken Schwerkraftfelder imitieren können. „Dies basiert auf Einsteins berühmter Formel E=mc²„, erklärt Erstautor Johannes Gooth vom IBM Forschungszentrum in Zürich. „In der relativistischen Quantenfeldtheorie werden Energie und Massenflüsse das Gleiche.“

Quasiteilchen im exotischen Kristall

Für ihr Experiment nutzten die Forscher ein sogenanntes Weyl-Halbmetall – einen Kristall aus Niob und Phosphor, in dem sich unter bestimmten Bedingungen Paare aus Weyl-Fermionen bilden. Diese durch das Verhalten der Elektronen erzeugten Quasiteilchen unterscheiden sich von normalen Elektronen darin, dass sie keine Masse zu besitzen scheinen und immer nur in Paaren mit entgegengesetztem Spin vorkommen.

Das Weyl-Halbmetall setzten die Forscher in einen elektronischen Messschaltkreis ein, legten ein Magnetfeld an und erzeugten dann einen Temperaturgradienten im Kristall. Dieser ahmt nach gängiger Auffassung die Krümmung der Raumzeit nach, die sonst nur unter extremer Schwerkraft auftritt.

Bruch der Paar-Symmetrie

Sobald dies geschah, trat ein Stromfluss auf, der mit ansteigendem Magnetfeld weiter zunahm. Dies dürfte jedoch nicht geschehen, wenn die Symmetrie der Weyl-Fermionen erhalten bliebe. Denn Energie und Impuls der beiden Partner ist gleich, nur ihr Spin unterscheidet sich, wie die Wissenschaftler erklären.

Erklärbar ist dieser Effekt nach Ansicht der Forscher nur durch eine Quanten-Anomalie: Im Kristall müssen sich linksdrehende Teilchen anders verhalten als rechtsdrehende, beispielsweise indem einer der Partner ein wenig mehr Energie oder Impuls bekommt. Dieser Symmetriebruch entspricht damit dem Verhalten, wie es auch für Teilchen unter extremen Gravitationsfeldern vorhergesagt wird, so Gooth und seine Kollegen.

„Eine unglaublich spannende Entdeckung“

„Diese Beobachtung ist konsistent mit der Präsenz einer axial-gravitationalen Quanten-Anomalie“, konstatieren die Physiker. „Sie liefert damit einen klaren Beweis für ein theoretisches Konzept, das sich bisher jedem experimentellen Nachweis entzogen hat.“ Sollte sich dies bestätigen, hätten die Forscher erstmals bewiesen, dass diese Schwerkraft-Quanten-Anomalie auch auf der Erde in der Festkörperphysik existiert und nachweisbar ist.

„Dies ist eine unglaublich spannende Entdeckung“, sagt Koautor Karl Landsteiner von der Autonomen Universität Madrid. „Die Schlussfolgerung ist klar: Der gleiche Symmetriebruch kann in jedem physikalischen System beobachtet werden, egal ob es vom Beginn des Universums stammt oder sich hier auf der Erde befindet.“

Gooth fügt hinzu: „Der erstmalige experimentelle Nachweis dieser Quanten-Anomalie auf der Erde ist sehr wichtig für unser Verständnis vom Universum. Mit den neuen Erkenntnissen können wir aber auch völlig neuartige Festkörper-Schaltelemente entwickeln, die man vorher nie in Betracht gezogen hätte. Damit bieten sich uns ungeahnte Möglichkeiten, die Grenzen von klassischen elektrischen Schaltern zu umgehen.“ (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature23005)

LG, der Schöpfung verpflichtet, “ET”

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