U-Boot Nautile

ANTARES und KM3NeT: Tiefsee-Neutrinoteleskope

Eines der großen Rätsel der Astrophysik ist die Herkunft der hochenergetischen kosmischen Strahlung, deren gemessenes Energiespektrum sich bis zu 1020 Elektronenvolt erstreckt. In den kosmischen Beschleunigern müssen bei zufälligen Wechselwirkungen der energiereichen Teilchen mit der umgebenden Materie unweigerlich instabile Teilchen wie Pionen entstehen. Wenn diese zerfallen, geben sie ein energiereiches Neutrino ab, das wegen seiner geringen Wechselwirkung die Quelle verlassen und weite Strecken im Universum zurücklegen kann. Der Nachweis dieser Neutrinos würde es ermöglichen, die Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlung zu identifizieren und Aufschlüsse über die Beschleunigungsmechanismen zu erlangen. Neutrinoteleskope wie ANTARES und KM3NeT öffnen somit ein neues Fenster zur Beobachtung der höchstenergetischen Prozesse im Kosmos.

Eine Apparatur mit Kugel wird im Meer versenkt.
Versenken eines ANTARES Strings

Photosensoren in 2500 Meter Tiefe

Aus dem bekannten Fluss der kosmischen Strahlung lässt sich mit Hilfe von Modellen der erwartete Neutrinofluss abschätzen. Dabei wird deutlich, dass man Detektoren mit sehr großem Volumen in der Größenordnung von einem Kubikkilometer benötigt, um eine sinnvolle Zahl von Neutrinoereignissen zu registrieren. ANTARES ist ein Prototyp für einen solchen Detektor. Er nutzt das Wasser des Mittelmeeres als Nachweismedium nach folgendem Prinzip. Myon-Neutrinos erzeugen in Stößen an den Atomkernen des Wassers Myonen, die das Wasser durchlaufen und dabei Tscherenkow-Licht emittieren. Eine Reihe von optischen Sensoren, sogenannte Photomultiplier, weisen diese kurzen Blitze nach.

Die Photomultiplier sind in dickwandigen Glaskugeln untergebracht, die dem Druck von 250 Bar standhalten, der in einer Wassertiefe von 2500 Metern herrscht. Je drei Photomultiplier befinden sich auf einem „Stockwerk“ zusammen mit einem Titan-Zylinder, der die Auslese- und Steuerelektronik enthält. Insgesamt 25 Stockwerke im vertikalen Abstand von je 14,5 Metern bilden einen „String“, der mit einem Anker am Boden fixiert und über eine Boje am 450 Meter entfernten oberen Ende vertikal straff gehalten wird.

Technische metallische Apparatur mit Rohrverbindungen.
Verbinden eines der Strings mit der „Junction Box“

ANTARES enthält zwölf von diesen Strings in einem gegenseitigen Abstand von etwa siebzig Metern, die je über ein Bodenkabel mit der „Junction box“ verbunden sind. Sie versorgt die Instrumente mit Strom und leitet die Daten über eine Glasfaserleitung in die vierzig Kilometer entfernte Station am Ufer.

Aus der zeitlichen Verteilung der Lichtsignale an den Photomultipliern lässt sich die Spur eines Myons durch das Wasser und damit auch die Einfallsrichtung des Neutrinos rekonstruieren. Hierfür muss die Position jedes einzelnen Photomultipliers bis auf etwa zehn Zentimeter genau bekannt sein. Deshalb befinden sich in jedem Stockwerk ein Neigungsmesser und ein Kompass, aus deren Messwerten die Orientierung (Verdrehung) des Stockwerks hervorgeht.

Foto in einer Arbeitshalle. Ein Mann betrachtet schwarze Kugeln an einer Aufhängung.
ANTARES-Stockwerke

Zudem werden über akustische und optische Laufzeitmessungen die Positionen der Stockwerke bestimmt. Im Rahmen des ANTARES-Experiments konnte gezeigt werden, dass diese Methoden zuverlässig funktionieren. Strings stellen somit eine geeignete Architektur für Neutrinoteleskope dieser Art dar, obwohl sich die Photomultiplier in der Wasserströmung bewegen.

Im Frühjahr 2005 wurde mit Hilfe eines Tauchroboters ein Teststring versenkt und mit der Junction Box verkabelt. Er enthält neben optischen Sensoren auch Überwachungsinstrumente wie zum Beispiel ein Gerät zur Messung der optischen Absorptionslänge des Wassers. Der erste vollständige ANTARES-String ist Anfang 2006 in Betrieb gegangen, der Aufbau des gesamten Detektors, der ein Volumen von zehn Millionen Kubikmeter Wasser umfasst, ist seit 2007 abgeschlossen. Die Abmessungen von ANTARES lassen nur unter optimistischen Modellannahmen erwarten, dass man außer „atmosphärischen“ Neutrinos (die in Wechselwirkungen der geladenen kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen) auch in großer Zahl Neutrinos von kosmischen Quellen nachweisen kann. Erst das zukünftige, einen Kubikkilometer große Neutrinoteleskop KM3NeT wird es ermöglichen, bis zu einige hundert „extraterrestrische“ Neutrinos pro Jahr nachzuweisen. Dann steht auch zu erwarten, dass in größerem Umfang die gleichzeitige Beobachtung astrophysikalischer Objekte mit Gammastrahlung und Neutrinos (Multi-Messenger-Methode) möglich wird, was eine völlig neue Qualität in der Interpretation der Daten eröffnet.

Ein kleines gelbes U-Boot auf seinem Trägerschiff. Zwei Personen befinden sich auf dem U-Boot.
U-Boot „Nautile“

Das KM3NeT-Projekt ist eine gemeinsame Initiative der Arbeitsgruppen in den derzeitigen Neutrinoteleskop-Projekten im Mittelmeer (ANTARES, NEMO und NESTOR) und bündelt damit die Erfahrung der Wegbereiter in der Tiefsee-Neutrinoteleskopie. Im Rahmen einer dreijährigen EU-finanzierten Designstudie wird unter Koordination der Universität Erlangen der Technical Design Report für KM3NeT erarbeitet, so dass in den kommenden Jahren dessen Aufbau erfolgen kann. Die Daten dieses Neutrinoobservatoriums werden öffentlich verfügbar sein. Zudem ist vorgesehen, durch gezielte Anpassung der Online-Filteralgorithmen eine gesteigerte Sensitivität für bestimmte Beobachtungsrichtungen am Himmel zu erzielen. Dann kann man nach speziellen Kandidaten für Neutrinoquellen Ausschau halten. Entsprechende Beobachtungszeit mit KM3NeT wird der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung stehen. Dies und die Anbindung von Meeresforschungsaktivitäten macht KM3NeT zu einer multidisziplinären Forschungs-Infrastruktur.

Ausblick

ANTARES und die anderen Neutrinoteleskop-Projekte im Mittelmeer haben eine langjährige Entwicklungsphase hinter sich, in der die Machbarkeit des Neutrinonachweises in Meerwasser erbracht wurde. Damit ist der Weg frei für das eigentliche Ziel, nämlich das Neutrinoobservatorium KM3NeT mit einem Volumen von einem Kubikkilometer. Es könnte außerdem IceCube ergänzen. Dann wäre erstmals Neutrinoastronomie an Nord- und Südhimmelmöglich.