Wälder könnten als riesige Neutrinodetektoren dienen

Neutrino-Detektoren wachsen nicht auf Bäumen. Oder doch? Wälder könnten eines Tages dazu genutzt werden, ultrahochenergetische Neutrinos zu entdecken, schlägt ein Physiker vor.

Bäume könnten als natürliche Antennen wirken die Radiowellen auffangen, die durch bestimmte Wechselwirkungen der schwer zu erkennenden subatomaren Teilchen erzeugt werden, schlägt der Astroteilchenphysiker Steven Prohira in einem am 25. Januar bei arXiv.org eingereichten Artikel vor.

„Es ist eine sehr spannende Idee“, sagt die Physikerin Amy Connolly von der Ohio State University in Columbus, die nicht an der Studie beteiligt war. „Dies könnte … eine natürliche Lösung sein, die möglicherweise vor unserer Nase lag.“

Neutrinos erfordern typischerweise große, empfindliche Detektoren. Das gilt insbesondere für Detektoren, die darauf ausgelegt sind, die seltensten Neutrinos mit der höchsten Energie aufzuspüren, die aus dem Weltraum auf die Erde herabregnen. Der Bau solch riesiger Detektoren von Grund auf ist eine große Hürde.

Doch Hochenergie-Neutrinophysiker sind dafür bekannt, innovative Detektoren in natürlichen Umgebungen zu bauen. Das IceCube-Neutrino-Observatorium sucht nach Neutrino-Wechselwirkungen Mithilfe eines Kubikkilometers antarktischem Eis wird das derzeit im Bau befindliche Kubikkilometer-Neutrino-Teleskop KM3NeT nach Neutrinos suchen, die im Mittelmeer interagieren (SN: 10.04.14). Die Volumina dieser Detektoren sind groß genug, um den Fang seltener hochenergetischer Neutrinos zu ermöglichen.

Um Neutrinos mit noch höherer Energie zu untersuchen, wollen Wissenschaftler eine bestimmte Neutrinoart, ein sogenanntes Tau-Neutrino, entdecken. Wenn ein solches Neutrino das Erdinnere passiert, kann es interagieren und ein Teilchen namens Tau-Lepton erzeugen. Wenn dieses Tau-Lepton vom Boden in die Erdatmosphäre entweicht, kann sein Zerfall einen Schauer geladener Teilchen erzeugen, die Radiowellen erzeugen. Um diese Radiowellen zu erkennen, haben Wissenschaftler Detektoren wie den Massive vorgeschlagen GROSSARTIG Experiment, bei dem insgesamt 200.000 Antennen verwendet würden, die in 20 separate Arrays auf der ganzen Welt verteilt wären.

Angesichts des enormen Aufwands, der mit dem Bau eines solchen Detektors verbunden ist, „wurde mir klar, dass es cool wäre, wenn die Antennen schon da wären“, sagt Prohira von der University of Kansas in Lawrence. Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass Bäume Radiowellen empfangen können. Um diese Radiowellen zu erkennen, müsste man einen Draht in jeden Baum nageln oder eine Drahtspule um den Stamm jedes Baumes wickeln und diese an die Elektronik anschließen, um die Signale auszulesen.

Viele Fragen müssen noch beantwortet werden, um festzustellen, ob die Technik plausibel ist, räumt Prohira ein. Wissenschaftler müssten untersuchen, wie sich die Bäume bei sehr hochfrequenten Radiowellen verhalten, dem Bereich, in dem Neutrinodetektoren dieses Typs arbeiten. Und herkömmliche Funkantennen können präzise gebaut werden, was ein detailliertes Verständnis ihrer Reaktion auf verschiedene Arten von Funksignalen ermöglicht. Bäume können das natürlich nicht sein. Es ist beispielsweise nicht klar, wie Bäume auf die Polarisation der Radiowellen und die Ausrichtung ihrer Bewegungen reagieren würden. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen des Laubs und bei Laubwäldern der saisonale Abfall der Blätter untersucht werden.

Obwohl die Idee inspirierend ist, sagt der Physiker Eric Oberla von der University of Chicago, „ist unklar, ob der Ersatz von hergestellten Antennen durch Bäume mehr Probleme lösen wird, als dadurch entstehen könnten, und diese Herausforderungen beim Detektordesign müssten weiter angegangen werden.“

Es müsste auch verstanden werden, welche Auswirkungen der Detektor auf den Wald haben würde. „Ein solcher Detektor“, schreibt Prohira in der Zeitung, „muss im Einklang mit der Natur und mit Respekt vor ihr gebaut werden; Andernfalls ist diese Idee keinen Versuch wert.“