Neue Augen für IceCube

„Das Neue an den optischen Sensoren des Upgrades ist, dass sie in alle Richtungen mit Photoelektronenvervielfachern ausgestattet sind. Somit erlauben sie uns einen 360-Grad Blick in das Eis. Damit können wir Neutrino-Wechselwirkungen bei kleineren Energien beobachten und dadurch Eigenschaften der Neutrinos bestimmen, komplementär zum KATRIN Experiment am KIT“, sagt Andreas Haungs, wissenschaftlicher Leiter der IceCube-Arbeitsgruppe am Institut für Astroteilchenphysik des KIT. „Außerdem können wir in einem großen Volumen die Eiseigenschaften besser untersuchen und so die Messgenauigkeiten verbessern. Das Upgrade bietet im Zusammenspiel mit einer neuen Oberflächeninstrumentierung zudem neue Möglichkeiten für die Messung der hochenergetischen kosmischen Strahlung.“

Die Photoelektronenvervielfacher verstärken das schwache Lichtsignal, das geladene Sekundärteilchen aus der Wechselwirkung des Neutrinos bei ihren sehr seltenen Reaktionen im transparenten Eis aussenden. Diese Lichtverstärker sind in 40 Zentimetern großen, footballförmigen Glasbehältern, auch mDOMs (multi-PMT digital optical modules) genannt, mit weiteren Sensoren eingebaut. Kabelstränge verbinden diese mDOMs und weitere Messinstrumente zu einer Art Perlenkette von 1500 Metern Länge. Diese Ketten werden in 2400 Meter tiefe Schächte eingelassen, die ein Heißwasserbohrer innerhalb von zwei Tagen in das Eis schmilzt. So entstanden sechs Schächte, die nach dem Einbringen der Instrumente wieder zufrieren.

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Signale aus der Ebene

Zu den neuen Komponenten des Upgrades gehören auch neun wellenlängenschiebende optische Module (WOMs) – innovative, auf UV-Licht spezialisierte Detektoren. „Mit IceCube wollen wir Cherenkov-Licht messen. Dieses hat einen großen UV-Lichtanteil, den die DOMs nicht messen können. Das heißt, ein großer Teil des Lichts, das bei Neutrino-Interaktionen entsteht, geht verloren, weil die Sensoren dafür nicht sensitiv genug sind“, erklärt Lea Schlickmann, Doktorandin in der Böser-Arbeitsgruppe der Uni Mainz und Hauptverantwortliche für den Bau dieser Module. „Die WOMs haben eine Röhre, die mit einer speziellen wellenlängenverschiebenden Farbe beschichtet ist. Wenn UV-Photonen auf diese Röhre treffen, wird ihre Wellenlänge in den sichtbaren Bereich verschoben und sie werden dann zu den sogenannten Photomultipliern geleitet, wo sie detektiert werden.“

In Deutschland sind am Upgrade des IceCube-Obser­va­to­ri­ums die Helmholtz-Zentren DESY und KIT sowie die Universitäten RWTH Aachen, Bochum, Dortmund, Erlangen, Mainz, TU München, Münster, HU Berlin und Wuppertal beteiligt. Die For­schen­den des KIT waren für die rund 10.000 Photoelektronenvervielfacher verantwortlich, die in IceCube verbaut wurden. Außerdem sind die KIT-Forschenden für die Erweiterung der Instrumentierung an der Oberfläche des Experiments zuständig: Sie besteht aus Szintillatoren und Radioantennen, die die Forschenden entwickelt und gebaut haben.

„Mit dem Upgrade wird die Neutrino-Astronomie zu kleineren Energien erweitert. Das öffnet nicht nur ein neues Fenster beim Blick in das Universum, sondern dient auch als aussagekräftiger Technologie- und Praxistest für die geplante Erweiterung zu IceCube-Gen2“, sagt Ralph Engel, Leiter des KIT-Instituts für Astroteilchenphysik. „Gen2 ermöglicht dann Neutrino-Astronomie bei höchsten Energien. Es entsteht ein weltweit einzigartiges Observatorium, das Neutrinos über einen Energiebereich von zehn Größenordnungen messen kann.“

IceCube-Gen2 ist als kommende Ausbaustufe von IceCube geplant und soll das Messvolumen des Experiments auf acht Kubikkilometer erweitern. Es ist ein selektiertes Projekt der deutschen Nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen. Der Vollantrag der Helmholtz-Gemeinschaft, der Ende Februar in Berlin vorgestellt wird, sieht die beiden Helmholtz-Zentren Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY und KIT als gleichberechtigte Trägerinstitute mit 55 Millionen Euro Gesamtinvestition vor. [KIT / JGU / DESY / dre]