Er hat einen Kubikkilometer Eis am Südpol in ein Teleskop verwandelt, das Teilchen aus den Tiefen des Weltalls einfängt.

Francis Halzen

Kurzfassung

Neutrinos fliegen geradlinig aus den gewaltigsten Orten des Universums zu uns, treffen aber fast nie auf etwas.
Halzen schlug vor, Lichtsensoren tief im antarktischen Eis zu vergraben. So lässt sich der seltene Lichtblitz einfangen, wenn doch einmal eines etwas trifft.
IceCube, 2011 fertiggestellt, fand die ersten hochenergetischen Neutrinos von weit außerhalb unseres Sonnensystems.

Das Problem davor

Im Weltall gibt es natürliche Teilchenbeschleuniger. Sie schleudern Teilchen mit bis zu einer Million Mal mehr Energie hinaus, als irgendein Labor auf der Erde erreichen kann. Vieles an diesen Quellen war ein Rätsel, auch, was sie sind und wo sie liegen.

Die geladenen Teilchen, die sie zu uns schicken, werden unterwegs von Magnetfeldern abgelenkt. Ihre Richtung verrät daher nichts, und Licht kann von Staub verdeckt werden. Neutrinos fliegen geradlinig und durchdringen Staub. Sie sind aber so schwer einzufangen, dass kein Detektor groß genug war, um die seltenen hochenergetischen Neutrinos aus den Tiefen des Weltalls zu sehen.

So funktioniert es

Man stelle sich ein einzelnes hochenergetisches Neutrino vor, entstanden in der Nähe eines riesigen Schwarzen Lochs in einer fernen Galaxie, einem der Orte, die Fachleute vermuten. Es durchquert den Weltraum geradlinig, nicht von Magnetfeldern abgelenkt und nicht von Staub aufgehalten. Es kann sogar die ganze Erde durchqueren. In IceCube, zwischen 1.450 und 2.450 Metern unter der Oberfläche, hat es eine winzige Chance, auf einen Atomkern im Eis zu treffen.

Geschieht das, entsteht ein geladenes Teilchen, das durch das Eis rast und einen schwachen Kegel aus blauem Licht aussendet. Im klarsten Eis kommt das Licht etwa 200 Meter weit, bevor es absorbiert wird, sodass viele Sensoren es auffangen. Der Ankunftszeitpunkt an jedem Sensor verrät die Richtung des Neutrinos, und die Lichtmenge verrät seine Energie.

Auch die Atmosphäre erzeugt Neutrinos, daher beweist ein einzelnes Ereignis selten etwas. Die Forschenden sammeln viele Ereignisse und prüfen, ob deren Energien zu einer kosmischen Quelle passen und nicht zur Atmosphäre.

Die Bugwelle eines Bootes bei Nacht

Man stelle sich einen dunklen See vor, der mit Bewegungssensoren bedeckt ist, und ein Boot, das man nicht sehen kann. Das Boot selbst ist nicht zu erkennen, aber seine Bugwelle breitet sich als Kegel aus. Die Sensoren zeichnen auf, wann die Welle jeden von ihnen erreicht. Aus diesen Zeitpunkten lässt sich ermitteln, in welche Richtung das Boot fuhr. Bei IceCube erzeugt das seltene Neutrino, das auf ein Atom trifft, ein geladenes Teilchen. Dieses Teilchen hinterlässt im Eis einen Kegel aus blauem Licht, den die Sensoren auf dieselbe Weise zeitlich erfassen. An einer Stelle passt der Vergleich nicht: Das Neutrino selbst erzeugt gar keine Welle, und fast jedes Neutrino durchquert den ganzen Detektor spurlos.

Warum es den Preis verdient hat

Damit begann eine neue Art der Astronomie: das hochenergetische Universum nicht nur mit Licht, sondern auch mit Neutrinos zu beobachten.
IceCube wies einen stetigen Strom kosmischer Neutrinos nach, die Energien von einem Petaelektronvolt erreichen, weit mehr als der Large Hadron Collider erreicht.
Es fand die ersten Neutrinos, die auf bestimmte Galaxien zeigen: TXS 0506+056 im Jahr 2017 und NGC 1068, 46 Millionen Lichtjahre entfernt, im Jahr 2022. Keine der beiden ist bisher als Quelle bestätigt.
2026 bestätigte IceCube mit Daten aus 12 Jahren die Milchstraße als Quelle hochenergetischer Neutrinos, und zwar auf dem Niveau, das in der Physik als Entdeckung gilt.
Der Ansatz machte Schule: Ähnliche Teleskope werden im Mittelmeer, im Baikalsee, im Südchinesischen Meer und vor der Küste Kanadas entwickelt. IceCube-Gen2 ist mit acht Kubikkilometern geplant.

Häufige Verwechslungen

MythosIceCube ist ein Teleskop, das nach oben in den Himmel schaut.

TatsächlichEs ist im Eis vergraben und nutzt oft die ganze Erde als Filter. So fängt es Neutrinos ein, die von unten durch den Planeten gekommen sind.

MythosDie Sensoren sehen die Neutrinos direkt.

TatsächlichNeutrinos erzeugen kein Licht. Die Sensoren sehen blaues Licht von einem geladenen Teilchen, das entsteht, wenn ein Neutrino in seltenen Fällen auf ein Atom trifft.

MythosHalzen hat das alles allein geschafft.

TatsächlichEr hatte die Idee und leitete das Projekt, aber IceCube wird von rund 450 Menschen aus 58 Einrichtungen in 14 Ländern betrieben.

MythosIceCube hat herausgefunden, woher die gesamte kosmische Strahlung kommt.

TatsächlichEs hat unsere eigene Galaxie als eine Quelle bestätigt und Hinweise auf einige weitere gefunden. Die meisten Quellen kosmischer Neutrinos sind aber noch unbekannt.

MythosDas ist der erste Nobelpreis für Neutrinos aus dem All.

TatsächlichDer Preis von 2002 ging an Raymond Davis Jr und Masatoshi Koshiba für Neutrinos von der Sonne und aus einer Supernova von 1987. IceCube erreichte etwa eine Milliarde Mal höhere Energien.

Selbst erklären

10 Sekunden

Er hat Lichtsensoren tief im Eis des Südpols vergraben, um Geisterteilchen aus fernen Galaxien einzufangen, und es hat funktioniert.

Für ein Kind

Manche winzigen Teilchen aus dem All sausen durch die ganze Erde, ohne irgendwo anzustoßen. Ein Wissenschaftler namens Francis Halzen hat Tausende Lichtdetektoren tief ins Eis am Südpol gebracht. Wenn eines dieser Teilchen gegen das Eis stößt, entsteht ein kleiner Blitz aus blauem Licht, und die Detektoren fangen ihn ein.

30 Sekunden

Neutrinos sind Teilchen, die fast alles durchdringen, sogar die ganze Erde. Das macht sie zu perfekten Boten aus gewaltigen Orten im fernen Weltall, aber auch fast unmöglich einzufangen. Francis Halzen erkannte, dass das klare Eis am Südpol als riesiger Detektor dienen könnte. Er leitete das Team, das einen Kubikkilometer davon mit Lichtsensoren füllte. 2013 meldete IceCube die ersten Belege für hochenergetische Neutrinos von weit außerhalb unseres Sonnensystems.

2 Minuten

Das Universum hat natürliche Teilchenbeschleuniger, möglicherweise auch die Regionen um riesige Schwarze Löcher. Sie sind weit stärker als alles, was wir bauen können. Wir wollen wissen, was sie sind, aber das meiste, was sie zu uns schicken, wird unterwegs abgelenkt oder aufgehalten. Neutrinos sind anders. Sie fliegen geradlinig und durchdringen Staub, Planeten und auch uns Menschen. Der Haken: Sie treffen fast nie auf etwas, daher braucht man einen riesigen Detektor. Halzens Idee, schon 1988, war, das Eis unter dem Südpol zu nutzen. Teams bohrten Löcher mit heißem Wasser und ließen 5.160 Lichtsensoren an 86 Kabeln hinab, bis in etwa zweieinhalb Kilometer Tiefe. Man denke an ein Boot bei Nacht, das man nicht sehen kann, dessen Bugwelle sich aber mit Sensoren auf dem Wasser verfolgen lässt. Wenn ein Neutrino in seltenen Fällen auf ein Atom im Eis trifft, entsteht ein Teilchen, das einen Kegel aus blauem Licht hinterlässt. Die Sensoren messen die Zeitpunkte dieses Lichts und ermitteln so, woher das Neutrino kam. 2017 zeigte ein Neutrino direkt zurück auf eine aufflackernde Galaxie namens TXS 0506+056, und Teleskope auf der ganzen Welt richteten sich auf sie. Das ist eine neue Art, den Himmel zu sehen.

Begriffe, die man oft hört

Neutrino: Ein winziges Teilchen ohne Ladung und mit fast keiner Masse, das nahezu alles durchdringt.
Kosmische Strahlung: Geladene Teilchen, meist Protonen, die aus dem All auf die Erde treffen, manchmal mit enormer Energie.
Tscherenkow-Licht: Schwaches blaues Licht, das ein geladenes Teilchen aussendet, wenn es sich schneller bewegt, als Licht sich im Eis bewegen kann.
Optisches Modul: Ein IceCube-Sensor: ein Lichtdetektor mit Elektronik in einer Glaskugel von etwa 35 cm Durchmesser.
PeV (Petaelektronvolt): Eine Einheit für Teilchenenergie, mehr als das Hundertfache der Energie, die der LHC einem Proton verleiht.
Blazar: Eine Galaxie mit einem riesigen Schwarzen Loch, dessen Teilchenstrahl fast genau auf die Erde zeigt.
Multi-Messenger-Astronomie: Die Untersuchung eines kosmischen Ereignisses mit mehreren Signalen gleichzeitig, etwa Licht und Neutrinos.

Sources, reader versions and the quiz are on the English page.