Spurensuche im Eis

Die Herkunft kosmischer Strahlung gehört seit mehr als einem Jahrhundert zu den großen ungelösten Fragen der Astrophysik. Beobachtet werden hauptsächlich Protonen mit Energien bis zu 10²⁰ Elektronenvolt, die die Möglichkeiten irdischer Teilchenbeschleuniger wie des Large Hadron Colliders am CERN (mit etwa 7 × 10¹² Elektronenvolt) bei weitem übertreffen. Da diese geladenen Teilchen auf ihrem Weg durch Magnetfelder abgelenkt werden, verraten sie jedoch nicht ihre Herkunft. Hochenergetische Neutrinos entstehen in denselben Beschleunigungsprozessen, fliegen aber geradlinig durch den Kosmos. Sie ermöglichen daher, den Beschleunigern selbst auf die Spur zu kommen.

Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Teilchen der Natur. Sie besitzen keine elektrische Ladung, haben nur eine sehr geringe Masse und wechselwirken äußerst selten mit Materie. Jede Sekunde durchqueren Milliarden von Sonnenneutrinos unseren Körper, ohne Spuren zu hinterlassen. Gerade diese Eigenschaft macht sie für die Astrophysik so wertvoll: Sie tragen Informationen aus Regionen des Universums, die mit anderen Methoden kaum zugänglich sind und erlauben so Einblicke in die extremen Bedingungen an ihrem Entstehungsort.

Bereits um 1960 hatten mehrere Physiker vorgeschlagen, Wasser als Medium zum Nachweis kosmischer Neutrinos zu nutzen. In den 1980er-Jahren schlug Francis Halzen vor, dass sich dafür auch das antarktische Eis eignen könnte. Gemeinsam mit John G. Learned stellte er 1988 das Konzept eines Neutrino-Observatoriums im Eis des Südpols vor. Der Standort bot mehrere Vorteile: In großen Tiefen herrscht dauerhafte Dunkelheit, zudem gibt es weder biologische Störquellen noch nennenswerte natürliche Radioaktivität. Während Learned sich anderen Projekten widmete, wurde Halzen zur treibenden Kraft hinter der Entwicklung eines Neutrino-Observatoriums im antarktischen Eis. Über Jahrzehnte hinweg begleitete er das Vorhaben.

Neutrinos selbst hinterlassen keine direkt messbaren Signale. Trifft jedoch ein Neutrino auf einen Atomkern im Eis, entstehen geladene Sekundärteilchen wie Myonen. Diese bewegen sich schneller durch das Eis, als sich Licht in diesem Medium ausbreiten kann, und erzeugen dabei charakteristische Cherenkov-Strahlung, einen schwachen blauen Lichtblitz. Werden diese Lichtsignale von empfindlichen Sensoren registriert, lassen sich Richtung und Energie des ursprünglichen Neutrinos rekonstruieren.

Auf erste Testexperimente folgte ab 1993 das Projekt AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array), der Vorläufer von IceCube. Dabei zeigte sich, dass das Eis unterhalb von etwa 1400 Metern Tiefe außerordentlich transparent ist. Um hochenergetische Neutrinos zu detektieren, waren aber größere Volumina notwendig. Der Bau von IceCube begann 2004; 2011 wurde das Observatorium fertiggestellt. Es umfasst einen Kubikkilometer antarktischen Eises in Tiefen zwischen 1450 und 2450 Metern und ist mit 5160 optischen Sensoren an 86 Kabelsträngen ausgestattet. Das gewaltige Instrumentierungsvolumen ist notwendig, weil selbst hochenergetische Neutrinos nur äußerst selten mit Materie wechselwirken. Die Messdaten werden über Satellitenverbindungen zur Analyse weitergeleitet.

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Neutrinos: Ein neues Bild der Milchstraße

Der wissenschaftliche Durchbruch gelang 2013. IceCube registrierte erstmals zwei Neutrino­ereignisse mit Energien bis in den Peta­elek­tronen­volt-Bereich (10¹⁵ eV), die nicht aus der Atmosphäre oder aus dem Sonnensystem stammen konnten. Wenige Jahre später war ihre astro­physika­lische Herkunft zweifelsfrei nachgewiesen. Damit stand erstmals ein Instrument zur Verfügung, das die Herkunft der energie­reichsten Teilchen­strahlung im Universum untersuchen kann. Um diese seltenen Signale nachzuweisen, müssen die Forschenden einen enormen Hinter­grund aus atmosphäri­schen Teilchen und Neutrinos heraus­filtern. Von den rund 100 000 Neutrinos, die IceCube jährlich registriert, sind nur etwa hundert astro­physika­lischen Ursprungs.

Bis heute hat IceCube einen diffusen Fluss astro­physika­lischer Neutrinos vermessen, Hinweise auf hoch­energe­tische Neutrinos in der Milch­straße gefunden und potenzielle Ursprungs­orte wie die aktive Galaxie NGC 1068 identi­fiziert. „Hoch­energe­tische Neutrinos liefern Informa­tionen über extremste Prozesse in entfernten Regionen des Weltraums. Ihre Beobachtung eröffnet der Astrophysik deshalb ganz neue Möglich­keiten“, erläutert Christopher Wiebusch, Physikprofessor an der RWTH Aachen. „Durch sie erfahren wir zum Beispiel mehr über die Beschleunigung höchst­energe­tischer kosmischer Strahlung in Sternen und Galaxien, oder auch in der Umgebung Schwarzer Löcher.“ Mit dem geplanten Nachfolger IceCube-Gen2, der ein deutlich größeres Eisvolumen von acht Kubik­kilometern umfassen soll, dürfte die Neutrino­astronomie in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen. Der IceCube-Kollabo­ration gehören mehr als 300 Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler aus 48 Forschungs­einrichtungen an, darunter elf deutsche Arbeits­gruppen.

Der Nobelpreis würdigt damit nicht nur eine technische Meister­leistung, sondern auch den Beginn einer neuen Ära der Multi-Messenger-Astronomie, in der Neutrinos das Universum aus einer bislang verborgenen Perspektive sichtbar machen.