IceCube

Die Eigenschaften von Neutrinos sind selbst für Elementarteilchen extrem: Sie sind nahezu masselos – wiegen mindestens eine Million Mal weniger als ein Elektron – und treten kaum mit anderen Teilchen in Wechselwirkung. Aufgrund dieser Eigenschaft sind riesige Detektoren vonnöten, um Neutrinos nachzuweisen. Der bisher größte und leistungsfähigste Detektor für diese Elementarteilchen ist IceCube.

Leuchten im Eis

Das Observatorium am Südpol nutzt einen Teil des antarktischen Eisschilds, um Neutrinos aufzuspüren. Das gefrorene Wasser eignet sich als ideales Detektormaterial, denn es ist nicht nur in Massen vorhanden, sondern liegt auch in nahezu reiner Form vor. Zum Nachweis der Neutrinos befinden sich in einem Volumen von einem Kubikkilometer über fünftausend lichtempfindliche Sensoren, die an Kabelsträngen bis zu zweieinhalb Kilometer tief in das ewige Eis eingeschmolzen sind.

3D-Ansicht des Observatoriums

Reagiert nun in sehr seltenen Fällen ein Neutrino mit einem Wassermolekül, entstehen elektrisch geladene Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Eis bewegen und entlang ihrer Flugbahn sogenanntes Tscherenkowlicht erzeugen. Nach dieser bläulich schimmernden Strahlung suchen die Forscherinnen und Forscher mit IceCube. Aus den Messdaten lässt sich auf die Energie, die Flugrichtung und manchmal auch die Sorte des nachgewiesenen Neutrinos schließen.

Aus den Tiefen des Weltalls

Im Jahr 2012 – nur zwei Jahre nach der Fertigstellung des Detektors – spürten Physikerinnen und Physiker mit IceCube erstmals hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall auf und erreichten damit einen Meilenstein in der Astroteilchenphysik. Die nachgewiesenen Teilchen könnten beispielsweise aus fernen Sternexplosionen stammen oder aus aktiven Galaxienkernen, Milliarden von Lichtjahren von uns entfernt.

Über den tatsächlichen Ursprung der gemessenen Neutrinos war zunächst nicht viel bekannt – bis sich 2018 schließlich eine mögliche Quelle kosmischer Neutrinos ausmachen ließ: eine rund fünf Milliarden Lichtjahre entfernte aktive Galaxie. Im Jahr 2022 wurden dann erstmals Neutrinos aus der uns nahegelegenen Galaxie Messier 77 nachgewiesen und im Jahr darauf gelang es, hochenergetische Neutrinos aus unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, zu messen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fahnden mit IceCube allerdings nicht nur nach Neutrinos aus den Tiefen des Weltalls. Sie haben es auch auf Exemplare abgesehen, die erst durch Reaktionen in der Erdatmosphäre entstehen, ausgelöst durch Teilchen der kosmischen Strahlung, die unablässig auf den Planeten einprasseln. IceCube registriert jedes Jahr mehr als hunderttausend solcher atmosphärischen Neutrinos. Darüber hinaus leistet der Detektor auch einen Beitrag zur Teilchenphysik: Mit dem Observatorium am Südpol lassen sich nämlich auch die Eigenschaften dieser bisher noch rätselhaften Elementarteilchen näher untersuchen.