Wie können Astronomen den Ort der Quelle eines Neutrinos lokalisieren?

Sie stellen richtig fest, dass Neutrinos nicht allzu oft interagieren. Die physikalische Größe, die das beschreibt, ist der wirksame Wirkungsquerschnitt . Was man also in einem Detektor beobachtet, ist nicht das Neutrino selbst, sondern Sekundärteilchen, zB Myonen . Umgangssprachlich können Sie alles mit hoher Masse (Dichte) zwischen der Neutrinoquelle und Ihrem Instrument (um hauptsächlich die Sekundärteilchen zu detektieren) als Detektor für die Neutrinos betrachten. Dies kann ein großer Eisbrocken sein (wie beim Eiswürfel-Experiment ), eine Bergkette (wie beim Gran-Sasso-Labor) oder sogar ein ganzer Planet, wenn die einfallenden Neutrinos von einem Stern stammen, der sich zum Zeitpunkt der Beobachtung auf der anderen Seite der Erde befindet. Letzteres ist möglich, da Neutrinos zB von der Sonne den ganzen Planeten durchqueren können, ohne mit seiner Materie zu interagieren (nachts für die Wissenschaftler, die für den Detektor arbeiten).

Lassen Sie mich versuchen, es mit einer Zeichnung zu erklären, die ich einem Blogeintrag des Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) aus dem Jahr 2018 entnommen habe . Die roten Punkte befinden sich auf der Eisoberfläche, die vertikalen Linien sind die Bohrlöcher in den antarktischen Eisschild und die kleinen schwarzen Punkte sind die PMTs, die Photomultiplier- Röhren, die das von einigen schnellen Myonen erzeugte Cherenkov-Licht auf dem Bild oben detektieren der blaue Kegel. Die Messwerte der PMTs (die das Cherenkov-Licht erkennen) werden als Farbcode angezeigt, ich nehme an, die Farbskala bezieht sich irgendwie auf die Zeit, die seit dem Triggerereignis vergangen ist.

Woher wissen wir nun, woher das Neutrino kam? Wir können die Teilchenphysik verwenden , um die Geschwindigkeit (Vektor) des Sekundärteilchens abzuleiten und daraus, woher das Neutrino tatsächlich kam. Das ist nicht trivial und erfordert einiges an Rechenleistung, aber es ist möglich.

Hochenergetische Myon-Neutrinos interagieren gelegentlich und erzeugen ein Myon. Energie und Impuls müssen dabei erhalten bleiben und das Myon fliegt in dieselbe Richtung wie das Neutrino.

Das relativistische Myon kann dann von einem Netzwerk von Detektoren verfolgt werden, die empfindlich auf die Cerenkov-Strahlung reagieren, die entsteht, wenn Myonen sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Eis bewegen.

Die Myonenspur ermöglicht die Messung seiner Kinematik und damit die Rekonstruktion der Herkunft des ursprünglichen Neutrinos. Dies kann potenziell bis auf wenige Grad erfolgen.

Bei hochenergetischen Elektron-Neutrinos ist die Winkelauflösung geringer. Irgendwelche Myonen werden in sekundären Wechselwirkungen erzeugt und es gibt eine "Kaskade" geladener Leptonen, aus der eine grobe Richtung rekonstruiert werden kann.