IceCube – Neutrinosuche am Südpol

IceCube ist mit einem Volumen von einem Kubikkilometer das derzeit größte Neutrino-Observatorium der Welt. Es hat erstmals Neutrinos aus den Tiefen des Alls aufgespürt – mit den höchsten Energien, die je gemessen wurden.

Das Neutrino-Observatorium IceCube bei der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis. Das Bild zeigt das Datenzentrum an der Eisoberfläche – das Neutrinoteleskop selbst ist mit seinen 5160 Lichtsensoren bis zu 2,5 Kilometer tief im Eis versenkt. © Sven Lindstrom, IceCube/NSF

Neutrinos sind die zweithäufigsten Elementarteilchen im Universum – und zugleich die rätselhaftesten. Milliarden von ihnen gelangen jede Sekunde auf die Erde, und dennoch fliegen sie
nahezu ungehindert durch unseren Planeten hindurch. Denn Neutrinos tragen keine elektrische Ladung und sind extrem reaktionsscheu. Sie stoßen so selten mit anderen Teilchen zusammen, dass Physikerinnen und Physiker gigantische unterirdische Detektoren bauen müssen, um hin und wieder ein solches Ereignis beobachten zu können. Das derzeit größte Neutrino-Observatorium der Welt befindet sich an einem der kältesten Orte der Erde: am Südpol.

Lichtblitze im Eis der Antarktis

Das Neutrinoteleskop IceCube (englisch für „Eiswürfel“) besteht aus 5160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die in einer Tiefe zwischen 1450 und 2450 Metern ins antarktische Eis eingeschmolzen sind. Zusammen mit der zugehörigen Elektronik stecken sie in druckfesten, etwa basketballgroßen Glaskugeln, die an 86 Stahltrossen befestigt sind. Insgesamt umschließt der IceCube-Detektor einen Kubikkilometer Eis – und ist damit der größte Teilchendetektor der Welt.

Die Sensoren von IceCube können Neutrinos allerdings nicht direkt „sehen“. Sie fangen vielmehr die schwachen, bläulichen Lichtsignale auf, die aufblitzen, wenn Neutrinos mit den Atomkernen im kristallklaren Eis zusammenstoßen. Die optischen Module verstärken und digitalisieren diese Signale und senden sie an die zentrale IceCube-Station an der Eisoberfläche. Dort werden die Daten zusammengeführt, verarbeitet und via Satellit an die beteiligten Forschungsinstitute gesendet.

Ernie, Bert & Co.: Boten aus dem Weltall

Die meisten Neutrinos, die zur Erde gelangen, stammen aus der Sonne oder der Erdatmosphäre. Sie entstehen in verschiedenen Kernreaktionen, etwa bei den Fusionsprozessen in der Sonne. Viel seltener sind Neutrinos, die von Orten jenseits unseres Sonnensystems stammen. Diese sogenannten astrophysikalischen Neutrinos haben in ihren Ursprung in extremen kosmischen Objekten wie explodierenden Sternen oder der Umgebung von Schwarzen Löchern. Auf ihrer Reise durch das Weltall können sie ungestört ganze Galaxien durchqueren – das macht sie zu einzigartigen kosmischen Boten.

IceCube hält seit Dezember 2010 vor allem nach solchen astrophysikalischen Neutrinos Ausschau. Im Jahr 2012 gelang der erste Erfolg: Forschende entdeckten die zwei Neutrino-Ereignisse „Ernie“ und „Bert“ mit Energien von jeweils 1,1 und 1,0 Petaelektronenvolt in den Messdaten – deutlich höheren Werten, als man sie für Neutrinos aus der Erdatmosphäre oder aus der Sonne erwartet. Diese bahnbrechende Entdeckung wurde vom Magazin „Physics World“ zum „Durchbruch des Jahres 2013“ gekürt. Insgesamt konnten die IceCube-Beteiligten 54 astrophysikalische Neutrinos identifizieren. Das energiereichste Ereignis mit einer geschätzten Neutrino-Energie von rund 8 Petaelektronenvolt wurde 2014 bei einer Auswertung in Deutschland entdeckt.

Zum IceCube-Observatorium gehört auch das Detektorfeld IceTop an der Eisoberfläche, mit dem die Forschenden kosmische Strahlung nachweisen und untersuchen können. Und mit DeepCore, einem kompakten Detektor im Zentrum von IceCube, suchen sie nach indirekten Anzeichen der Dunklen Materie – einer rätselhaften Substanz, die 27 Prozent des Universums ausmacht und ganze Galaxien zusammenhält. DeepCore ist zudem auf die Präzisionsmessung von Neutrinos aus der Erdatmosphäre spezialisiert und hat bereits gemessen, wie diese sich ineinander umwandeln.

Deutsche Beiträge zu IceCube

Das IceCube-Observatorium wird von einem internationalen Konsortium unter US-amerikanischer Führung betrieben. Die National Science Foundation (NSF) hat den größten Teil der Baukosten von 279 Millionen US-Dollar übernommen. Deutschland beteiligt sich als zweitstärkste Partnernation mit einem Anteil von rund 20 Millionen Euro. So haben deutsche Forschungsgruppen etwa ein Viertel der 5160 Lichtsensoren und einen wesentlichen Teil der Empfangselektronik an der Eisoberfläche beigesteuert. Eine führende Rolle spielt dabei das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY (Standort Zeuthen), das als Helmholtz-Zentrum zu 90 Prozent vom Bundesforschungsministerium institutionell gefördert wird. Im Verbund sind die Entwicklungsarbeiten deutscher Universitätsgruppen für verschiedene Komponenten des Detektors maßgeblich.

Darüber hinaus fördert das Bundesforschungsministerium Projekte im Rahmen der Verbundforschung, in denen deutsche Forschungsgruppen neuartige Sensortechnologien und Analysemethoden für IceCube entwickeln. In den letzten beiden Förderperioden (2011 bis 2017) hat das Ministerium insgesamt 15 Vorhaben mit einer Fördersumme von rund 4,8 Millionen Euro unterstützt. Im aktuellen Förderzeitraum (2018 bis 2020) stehen 3,9 Millionen Euro unter anderem für vorbereitende Arbeiten zu möglichen Erweiterungen und Verbesserungen von IceCube im Mittelpunkt. Damit wollen die Forschenden herausfinden, aus welchen Quellen die Neutrinos genau kommen, denn das ist bisher nicht bekannt.