Wie das US-Wissenschaftsmagazin LiveScience berichtet, durchqueren in jeder Sekunde etwa 100 Billionen sogenannte Neutrinos den menschlichen Körper. Dass diese Partikel in gigantischer Zahl aus dem Weltall stammen und ununterbrochen auf die Erde treffen, gilt gemeinhin als bekannt.
Weniger geläufig ist der Umstand, dass ein messbarer Teil dieser Teilchen seinen Ursprung direkt auf und in der Erde hat. Dazu gehören sogenannte Geoneutrinos, die beim natürlichen radioaktiven Zerfall tief im Erdmantel freiwerden, sowie menschengemachte Neutrinos, die kontinuierlich in Kernkraftwerken oder Teilchenbeschleunigern entstehen.
„Etwa 100 Billionen Neutrinos durchqueren jede Sekunde jeden von uns“, sagt der Physiker Michael Pravica von der University of Nevada in Las Vegas. Die Teilchen interagieren kaum mit regulärer Materie und passieren den menschlichen Körper sowie den gesamten Planeten fast immer, ohne eine Spur zu hinterlassen.
Die meisten dieser Elementarteilchen entstehen durch nukleare Prozesse. Laut der Physikerin Lu Lu von der University of Wisconsin-Madison stammen fast alle Neutrinos, die uns durchqueren, aus den Fusionsreaktionen der Sonne.
Einige wenige Neutrinos haben ihren Ursprung in noch größerer Entfernung, beispielsweise in anderen weit entfernten Galaxien. Im gesamten Leben eines Menschen kommt es statistisch voraussichtlich nur zu einer einzigen direkten Interaktion zwischen einem Neutrino und einem Atom im eigenen Körper. Da bei diesem Ereignis jedoch so gut wie keine Energie übertragen wird, bleibt der Vorgang völlig unbemerkt und ist biologisch absolut harmlos.
Kosmische Strahlung und Myonen
Neben den Neutrinos gibt es weitere extraterrestrische Partikel, die stetig auf die Erde treffen: die sogenannte kosmische Strahlung. Dabei handelt es sich vorwiegend um elektrisch geladene Teilchen, die sich der Erde mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus allen Richtungen nähern.
Während die Kernreaktionen der Sonne eher niederenergetische kosmische Strahlung erzeugen, stammt der Großteil dieser Strahlen von außerhalb des Sonnensystems. Sie entstehen unter anderem, wenn weit entfernte Sterne explodieren, Galaxien kollidieren oder Materie in schwarze Löcher stürzt.
Die hochenergetische Strahlung besteht größtenteils aus Protonen, also den Kernen von Wasserstoffatomen, oder aus den Atomkernen schwererer Elemente wie Helium. Treffen diese kosmischen Strahlen auf die Erde, werden sie meist von Luftmolekülen hoch oben in der Atmosphäre blockiert.
Diese Kollisionen in der Erdatmosphäre erzeugen Schauer aus sekundären Teilchen, die bis zum Boden vordringen, darunter die Myonen. Myonen sind negativ geladene subatomare Teilchen, die Elektronen ähneln, jedoch über 200-mal massereicher sind. Auf Meereshöhe durchquert im Durchschnitt etwa ein Myon pro Quadratzentimeter pro Minute die Erdoberfläche. Für einen Menschen bedeutet dies, dass sekündlich Dutzende bis Hunderte dieser Teilchen den Körper passieren.
Weil die Myonen primär von oben aus der Atmosphäre herabregnen, hängt die genaue Trefferquote von der Körperhaltung ab: Wer aufrecht steht, bietet dem Teilchenschauer primär mit Kopf und Schultern nur eine relativ kleine Trefferfläche, was zu einigen Dutzend Treffern pro Sekunde führt. Wer hingegen flach auf dem Boden liegt, vergrößert seine Fläche enorm, wodurch die Zahl auf mehrere Hundert Myonen ansteigt.
Zum Vergleich: Allein durch die Fläche einer menschlichen Hand fliegen sekündlich etwa ein bis zwei dieser Teilchen. Dass wir von der vergleichsweise hohen Masse und dem permanenten Beschuss absolut nichts spüren, liegt schlicht an den physikalischen und biologischen Rahmenbedingungen. Der Vorgang spielt sich auf einer unvorstellbar winzigen Skala ab und das irdische Leben ist dieser natürlichen Umgebung seit seiner Entstehung ausgesetzt.
Neutrino-Messungen in der Antarktis
Weil Myonen elektrisch geladen sind, lassen sich ihre Wege in einer speziellen Nebelkammer sichtbar machen. Neutrinos hingegen sind elektrisch neutral und besitzen fast keine Masse, was ihre Detektion in der Praxis zu einer großen physikalischen Herausforderung macht.
Um die Anzahl der Neutrinos zu schätzen, registrieren Forscher:innen den verschwindend geringen Anteil, der mit Materie in oder nahe einem Detektor kollidiert. Eine solche Messanlage ist das IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis, das tief im Eis mit Tausenden Lichtsensoren arbeitet.
Wenn dort ein Neutrino mit einem Atomkern im Eis interagiert, entstehen schnelle geladene Teilchen, die einen schwachen blauen Blitz aus sogenanntem Tscherenkow-Licht aussenden. Dieses Leuchten entsteht als eine Art optischer Überschallknall, wenn sich die geladenen Teilchen durch das Eis schneller bewegen, als es das Licht in genau diesem Medium kann. Aus dem Muster und der Helligkeit dieses Lichts rekonstruieren die Sensoren die Energie und Richtung des ursprünglichen Neutrinos, um so Rückschlüsse auf den gesamten Teilchenfluss zu ziehen.
Lu Lu vergleicht diese Methode mit der Bestimmung einer Fischpopulation: „Wenn man die Größe des Netzes kennt, wie lange es im Wasser war und wie leicht Fische hindurchschlüpfen, kann man auf den gesamten Fluss zurückrechnen.“ Da Neutrinos so schwach interagieren, können sie auch aus sehr dichten Regionen entkommen, die für Licht undurchdringlich bleiben.
Die auf Meereshöhe ankommende Strahlung wird von Teilchenschauern aus Myonen dominiert, stellt aber laut den ausgewerteten Daten kein besonderes Gesundheitsrisiko dar. Bei Flugreisen in großen Höhen tragen andere sekundäre Teilchen wie Neutronen zu einer messbar höheren biologischen Dosis bei.
Belastung für den Menschen bleibt überschaubar
Die jährliche Belastung durch kosmische Strahlung bleibt bei durchschnittlicher Lebensweise überschaubar. Eine Person erhält auf diesem Weg etwa 0,4 Millisievert pro Jahr. Zur Einordnung: Eine herkömmliche Röntgenaufnahme des Brustkorbs verursacht eine Strahlenexposition von rund 0,02 bis 0,05 Millisievert. Die kosmische Jahresdosis von 0,4 Millisievert entspricht demnach etwa acht bis 20 dieser medizinischen Aufnahmen, oder alternativ der Belastung von rund vier Interkontinentalflügen zwischen Frankfurt und New York.
Der Wert macht insgesamt nur einen kleinen Bruchteil der gesamten natürlichen Hintergrundstrahlung von durchschnittlich rund 2,4 Millisievert aus, der Menschen jährlich ausgesetzt sind. Gänzlich abschließend geklärt ist die Risikobewertung bei solch geringen Mengen jedoch nicht: In der Wissenschaft gibt es bis heute keinen Konsens darüber, ab welchem exakten Schwellenwert niedrige Strahlendosen tatsächlich gefährlich werden. Gängige Strahlenschutzmodelle gehen sicherheitshalber davon aus, dass jede noch so geringe Dosis ein theoretisches, wenn auch minimales, Risiko birgt.
Die Beobachtung all dieser Teilchen bietet der Astrophysik belastbare Daten über extrem dichte und aktive Bereiche des Universums. Wie die Physikerin Lu Lu anmerkt, zeigen diese dauerhaften Partikelströme zudem auf einer physikalischen Ebene, dass der Mensch ein untrennbarer Teil der kosmischen Abläufe ist.
