Am Südpol hat ein internationales Team das Neutrino-Observatorium IceCube aufgerüstet

Im Eis der Antarktis stecken neue Augen. Ein internationales Team von Wissenschaftler/-innen und Techniker/-innen, darunter auch eine Gruppe von Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), hat gerade mehr als 600 neue Sensoren für IceCube – ein riesiges Neutrino-Observatorium am Südpol – installiert. Dort fangen sie geisterhafte kosmische Teilchen, die Neutrinos genannt werden.

Neutrinos entstehen bei verschiedenen Arten von Kernreaktionen. Sie sind nahezu masselos, tragen keine elektrische Ladung und interagieren nur sehr selten mit Materie. In den letzten Jahrzehnten haben Forschende jedoch Wege gefunden, Neutrinos mit Hilfe von riesigen Mengen dichten Materials – in diesem Fall der Eisschicht der Antarktis – nachzuweisen und so in relativ kurzer Zeit viel über diese Teilchen zu lernen. Wenn Neutrinos mit Materie interagieren, entsteht unter anderem ein kurzer Lichtblitz. Mit Hilfe von Photomultiplierröhren (PMT) verstärken die Forschenden das Licht zu elektrischen Signalen, die erfasst werden können. Mit dieser Methode machen Neutrino-Observatorien auf der ganzen Welt diese geisterhaften Teilchen zu Boten, die Informationen über weit entfernte Bereiche des Universums liefern. Unter diesen Observatorien hat sich IceCube als einzigartiger Wegbereiter herausgestellt und Entdeckungen gemacht, die nirgendwo sonst gemacht wurden.

Neue Sensoren für IceCube aus Deutschland

Die in Deutschland entwickelten Sensoren, die jetzt neu im IceCube-Teleskop installiert wurden, heißen mDOMs (multi-PMT digital optical modules) und sind etwas größer als ein Basketball. Sie sind wie Perlen an einer Halskette durch ein langes Kabel – einem sogenannten String – miteinander verbunden. Diese Strings, die jeweils aus mehr als 100 Bauelementen bestehen, werden in 2600 Meter tiefen Bohrlöchern im antarktischen Eis versenkt.

Die Entwicklung der Sensoren war eine Gemeinschaftsarbeit von DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), der Universitäten Münster, Aachen, Wuppertal, Mainz, Dortmund, Karlsruhe – und der FAU. Die neuen Teile sollen dazu beitragen, dass der IceCube-Detektor Neutrinos mit niedrigerer Energie deutlich besser nachweisen kann als bisher.

FAU-Technologie kartographiert Verunreinigungen im Eis

Der Eispanzer der Antarktis besteht aus Schichten von Schnee, der sich über rund einhunderttausend Jahre abgelagert und verdichtet hat. In diesen Schichten eingeschlossen ist Staub aus der Atmosphäre, der Licht ablenken bzw. streuen kann – auch die Lichtblitze, die die Neutrinos erzeugen. Dieses Phänomen erschwert es zu rekonstruieren, woher die Neutrinos kommen und wie energiereich sie sind. Hinzu kommt, dass so eine Neutrino-Sichtung ein eher seltenes Ereignis ist, das nur einige Dutzend bis hundert Male pro Jahr stattfindet.

Dieses Problems hat sich das Team der FAU unter Leitung von Prof. Dr. Claudio Kopper vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) angenommen. Doktorandin Anna Eimer hat dazu einen sogenannten LOMlogger entwickelt. „Diese Hardware-Komponente kartographiert die Eisschichtung mithilfe eines ins Eis leuchtenden Lasers und eines Sensormoduls, welches die Intensität an zurückgestreutem Licht aufzeichnet“, erklärt die Astrophysikerin. „Ein verbessertes Verständnis der optischen Eigenschaften des Gletschereises ermöglicht es, Richtung und Energie der Teilchen präziser als bisher zu rekonstruieren.“ Das Erlanger Team war bei der Installation der neuen IceCube-Komponenten im arktischen Sommer Ende letzten Jahres nicht vor Ort. Dr. Martin Rongen kennt die Bedingungen am Südpol jedoch von früheren Besuchen: „Ein Arbeitsaufenthalt am Südpol hat immer einen besonderen Expeditionscharakter: die Materialausstattung in Christchurch, die Anreise mit US-amerikanischen Militärtransportflugzeugen, die Unwirtlichkeit der Eiswüste des antarktischen Hochplateaus und der vollständigen Helligkeit in der uns zur Verfügung stehenden Arbeitsmonaten…“

Eine neue Ausbaustufe von IceCube ist in Vorbereitung

Die aktuellen Arbeiten am Teleskop sind Teil des IceCube-Upgrades, mit dem präzisere Messungen der Eigenschaften von Neutrinos, wie beispielsweise Neutrinooszillationen, möglich werden. Oszillationen sind ein Phänomen, bei dem sich atmosphärische Neutrinos in verschiedene Typen oder „Flavours“ verwandeln können – Elektron, Myon und Tau. Das IceCube-Upgrade dient zudem als Sprungbrett für das nächste große Neutrino-Experiment am Südpol: IceCube-Gen2. Das IceCube-Neutrino-Observatorium ist ein internationales Konsortium unter der Leitung der US-amerikanischen National Science Foundation und der Universität von Wisconsin-Madison.

Ausführliche Pressemeldung vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie Bildmaterial:

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