IceCube – Neutrinosuche im ewigen Eis

Detektorspuren der Rekordereignisse

IceCube spürt Neutrinos aus dem fernen Weltall auf. Diese Neutrinos entstehen an vielen verschiedenen Orten im Universum. Zum Beispiel bei Kernreaktionen in der Sonne oder wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Doch IceCube blickt deutlich weiter in die Tiefen des Weltalls. Denn die Spezialität und die Einzigartigkeit dieses Experiments liegen in der Detektion sogenannter astrophysikalischer Neutrinos: Das sind Neutrinos, die von Orten weit jenseits unseres Sonnensystems stammen. Sie sind besonders selten, haben extrem hohe Energien und sind oft Milliarden Jahre unterwegs, bevor sie die Erde erreichen und auf den Detektor eintreffen.

Anhand der Ankunftszeiten der Lichtblitze an den Sensoren berechnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, aus welcher Richtung die Neutrinos kommen und wie viel Energie sie besitzen. Das gibt Aufschluss darüber, aus welcher Region des Weltalls sie stammen und wie sie entstanden sind. Da hochenergetische Neutrinos aus extrem großen Entfernungen stammen und das Weltall ungestört durchqueren, bringen sie auf direktem Wege Informationen über ihre Entstehungsorte mit. So gewinnen die Forschenden Erkenntnisse über die Anfänge des Universums, die Entstehung von Galaxien und Sternen sowie die Geheimnisse schwarzer Löcher und dunkler Materie.

Am geografischen Südpol – tief im Eis eingelassen – befindet sich das IceCube-Experiment, direkt unter der Amundsen-Scott-Südpolstation. Das Herzstück der Anlage sind die 5160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die 1450 bis 2450 Meter tief unter der Oberfläche ins antarktische Eis eingeschmolzen sind. Zusammen mit ausgetüftelter Elektronik stecken sie in druckfesten, basketballgroßen Glaskugeln und sind jeweils im Abstand von 17 Metern an 86 Stahltrossen befestigt. Insgesamt umschließt der IceCube-Detektor einen Kubikkilometer Eis – und ist damit der größte Teilchendetektor der Welt.

Die drei Leptonen-Familien

Seine Sensoren „sehen“ Neutrinos allerdings nicht direkt. Sie fangen vielmehr die schwachen Lichtsignale auf, die aufblitzen, wenn Neutrinos mit den Atomkernen im antarktischen Eis zusammenstoßen. Bei den Kollisionen entstehen nämlich geladene Teilchen, die sich schneller als ein Lichtstrahl im Eis fortbewegen. Meist sind das Myonen oder Tauonen, die schwereren Verwandten der Elektronen. Entlang ihrer Flugbahn bringen sie die Eismoleküle zum Leuchten: Bläuliches sogenanntes Tscherenkow-Licht entsteht.

Warum aber wurde dieser Detektor am Südpol gebaut? Am Südpol liegt eine fast drei Kilometer dicke und kristallklare Eisschicht vor. Diese brauchen die Forschenden als Detektor, denn nur bei genügender Masse eines optisch durchsichtigen Mediums wechselwirken die Neutrinos überhaupt mit der uns bekannten Materie. Doch auch dort detektiert IceCube jede Menge Ereignisse, die zum Beispiel von Myonen aus Teilchenschauern herrühren. Ein Neutrino erkennen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem daran, dass das Signal zunächst im unteren Teil des Detektors ankommt. Andere Teilchen werden zuerst oben detektiert oder gelangen gar nicht erst so weit ins Erdinnere.

Ein internationales Konsortium betreibt das IceCube-Observatorium. Insgesamt arbeiten über dreihundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zwölf Ländern mit, davon rund neunzig aus Deutschland. Federführend sind die USA: Die University of Wisconsin in Madison koordiniert die Zusammenarbeit und die National Science Foundation hat über achtzig Prozent der Baukosten übernommen.

3D-Ansicht des Observatoriums

Deutschland beteiligt sich mit einem Anteil von rund zwanzig Millionen Euro als zweitstärkste Partnernation an dem Projekt. So haben die deutschen Forschungsgruppen etwa ein Viertel der Detektoren im Eis und einen wesentlichen Teil der Empfangselektronik an der Oberfläche beigesteuert. Eine führende Rolle spielen dabei die Forscherinnen und Forscher des Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung institutionell gefördert wird. Sie haben beispielsweise die Lichtsensoren am DESY-Standort Zeuthen zusammengesetzt und getestet.

Darüber hinaus fördert das Bundesforschungsministerium Arbeiten an IceCube im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro. In den Projekten entwickeln und verbessern deutsche Forschungsgruppen neue Mess- und Auswertemethoden sowie die Kalibrierung. Dadurch sorgen sie dafür, dass das Neutrinoteleskop empfindlichere Messungen vornehmen und Neutrinos häufiger detektieren kann. Schätzungsweise ein Drittel der wissenschaftlichen Veröffentlichungen rund um IceCube kommt aus Deutschland – auch dank der zahlreichen involvierten Universitätsgruppen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten außerdem eng mit den Forschenden anderer astronomischer Großgeräte zusammen, um die Quellen astrophysikalischer Teilchen zu studieren. Im sogenannten Multi-Messenger-Ansatz beobachten sie die gleiche Region des Universums mit unterschiedlichen Geräten. Dadurch verstehen sie Zusammenhänge bei der Entstehung elektromagnetischer Strahlung und hochenergetischer Teilchen.

Bereits wenige Jahre nach der Fertigstellung 2010 gelangen den Forschenden die ersten Durchbrüche. Mit der Detektion von Ereignissen mit Energien von jeweils 1,1 und 1,0 Petaelektronenvolt haben sie die höchsten jemals gemessenen Energien verzeichnet. Gleichzeitig war dies der erste Beweis für astrophysikalische Neutrinos, die aus den Tiefen des Weltalls zu uns gelangen. Diese bahnbrechende Entdeckung wurde vom Magazin „Physics World“ zum „Durchbruch des Jahres 2013“ gekürt.

Das Neutrino-Ereignis mit der bisher höchsten Energie wurde in Deutschland von der RWTH Aachen entdeckt: Es wurde am 11. Juni 2014 aufgezeichnet. Dabei ist ein Myon regelrecht durch den Detektor „durchgerauscht“. Da es nicht seine komplette Energie im Detektor verloren hat, kann seine Gesamtenergie nur geschätzt werden. Sie liegt bei etwa acht Petaelektronenvolt – das entspricht ungefähr dem Milliardenfachen eines Neutrinos, das aus der Sonne kommt.

Illustration eines Blazars

Mit DeepCore, dem dicht bestückten Kernbereich des Detektors, lieferte IceCube außerdem Resultate für das Phänomen sogenannter Neutrinooszillationen. Damit meinen Physikerinnen und Physiker den Effekt, dass sich Neutrinos, während sie unterwegs sind, von einer in eine andere Neutrinosorte umwandeln können. Dieser Effekt wurde mit IceCube auch für astrophysikalische Neutrinos nachgewiesen.

Zuletzt sorgte die Ortung des Blazars TXS 0506+056 für Furore. Erstmals gelang es den Forschenden, der Herkunft eines Neutrinos auf die Spur zu kommen: Es stammte aus der Umgebung eines supermassereichen schwarzen Lochs inmitten einer aktiven Galaxie in mehreren Milliarden Lichtjahren Entfernung. Dieser sogenannte Blazar strahlt mit einem Teilchenstrahl direkt auf die Erde zu und löste so die Messung des Neutrinos am Südpol aus. Um noch weitere astrophysikalische, besonders energiereiche Neutrinos aufzuspüren, wird derzeit ein Ausbau des Detektors im antarktischen Eis diskutiert. In Kooperation mit den Astrophysikerinnen und Astrophysikern anderer Großforschungsanlagen verspricht dies neue Entdeckungen und Erkenntnisse über die Vergangenheit des Universums, weit entfernte Galaxien und die Entstehung kosmischer Strahlung.