Neutrinos: Eiswürfel fängt Geisterteilchen

Ice Cube ist ein Kubikkilometer großer Detektor in der Antarktis, der nach Elementarteilchen aus den Tiefen des Weltalls Ausschau halten soll. Er habe 28 dieser Teilchen erfasst, berichten nun Forscher.

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Sensoren des Ice Cube unter dem Eis (Symbolbild): schwaches bläuliches Leuchten
Sensoren des Ice Cube unter dem Eis (Symbolbild): schwaches bläuliches Leuchten (Bild: IceCube Collaboration)

Seit 2010 lauert im ewigen Eis der Antarktis ein Detektor auf Teilchen, die praktisch nicht zu fassen sind: Ice Cube soll Neutrinos aus dem All erfassen. Das sei gelungen, melden die Ice-Cube-Forscher.

  • Neutrino-Ereignis am 3. Januar 2012. Es war das Ereignis mit der höchsten Energie, geschätzt 1,14 PeV (Grafik: IceCube Collaboration)
  • Künstlerische Darstellung der Glaskugeln unter dem Eis der Antarktis. In den Kugeln befinden sich sehr lichtempfindliche Sensoren. (Grafik: Jamie Yang, IceCube Collaboration)
  • So sieht es oben aus: In der Amundsen-Scott-Station am Südpol laufen die Ice-Cube-Daten zusammen. (Foto: Sven Lidstrom, IceCube/NSF)
Neutrino-Ereignis am 3. Januar 2012. Es war das Ereignis mit der höchsten Energie, geschätzt 1,14 PeV (Grafik: IceCube Collaboration)
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Neutrinos sind schnell - sie bewegen sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit -, haben praktisch keine Masse und gehen fast nie eine Wechselwirkung mit Atomen ein. Mit anderen Worten: Diese Elementarteilchen sind kaum zu fassen - daher der Spitzname Geisterteilchen. In jeder Sekunde durchqueren unzählige Neutrinos unbemerkt unseren Planeten und damit auch unsere Körper.

28 Neutrinos

Fast unbemerkt: Zwischen Mai 2010 und Mai 2012 erfasste Ice Cube 28 Neutrinos, deren Energie bei über 30 Tera-Elektronenvolt (TeV) lag. Zwei der erfassten Teilchen hatten eine Energie von mehr als 1.000 TeV. Zum Vergleich: Im Large Hadron Collider, dem Teilchenbeschleuniger des Cern, kollidieren Teilchen mit einer Energie von 8 TeV.

  • 2010: Der letzte Sensor des Teilchendetektors kommt ins Eis. (Foto: NSF)
  • Einige letzte Einstellungen noch, ... (Foto: NSF)
  • ... dann wird er ins Eis hinabgelassen. (Foto: NSF)
  • Die Röhren wurden mit heißem Wasser in das Eis der Antarktis geschmolzen. (Foto: NSF)
  • Beim Ablassen eines Sensors (Foto: NSF)
  • Auf solchen Trommeln waren die Schläuche aufgewickelt, die zum Bohren der Löcher gebraucht wurden. (Foto: NSF)
2010: Der letzte Sensor des Teilchendetektors kommt ins Eis. (Foto: NSF)

Die von Ice Cube erfassten Neutrinos haben ein Energieniveau, das viel höher ist, als es bei Neutrinos zu erwarten wäre, die in der Erdatmosphäre entstanden sind. "Dies ist der erste Hinweis auf sehr hochenergetische Neutrinos, die von jenseits unseres Sonnensystems kommen", sagt Ice-Cube-Projektleiter Francis Halzen von der Universität des US-Bundesstaates Wisconsin in Madison.

Ernie und Bert aus dem All

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Die ersten beiden Neutrinos, die sie Ernie und Bert genannt haben, hatten die Forscher im April vergangenen Jahres entdeckt. Ernie und Bert waren die bis dahin energiereichsten Ereignisse. Daraufhin haben die Ice-Cube-Forscher die Messergebnisse überprüft und dabei 26 weitere Ereignisse mit einer Energie von mehr als 30 TeV gefunden. Die Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Die energiereichen Neutrinos entstanden mutmaßlich bei sehr energiereichen Ereignissen im All, etwa Sternenexplosionen, Gammablitzen oder aktiven galaktischen Kernen. Da sie kaum mit anderen Teilchen interagieren, entkommen Neutrinos ungehindert auch aus extrem dichten Umgebungen wie etwa dem Kern einer Supernova - sogar einfacher als Licht. Die Neutrinos könnten Aufschluss über solche Ereignisse geben.

Detektoren in der Antarktis

Da die Neutrinos aber kaum mit anderen Teilchen interagieren, sind sie auch kaum zu erfassen. Dazu wurde im ewigen Eis der Antarktis ein spezieller Detektor geschaffen: Ice Cube. Er besteht aus 86 Kabeln, an denen je 60 Glaskugeln mit hochempfindlichen Lichtsensoren darin angebracht sind. Die Kugeln befinden sich 1,5 bis 2,5 Kilometer tief im Eis. Das ist dort unten durch den Druck frei von Luftblasen und damit vollkommen klar.

Wenn ein Neutrino auf den Sauerstoff eines Wassermoleküls trifft und damit interagiert, entsteht ein schwaches bläuliches Leuchten. Das erfassen die insgesamt 5.160 Detektoren, die über ein Areal von einem Kubikkilometer verteilt sind. Aus dem Blitz lassen sich Rückschlüsse auf die Energie und die Flugbahn des Neutrinos ziehen. Die Daten der Detektoren laufen in einer Station an der Oberfläche zusammen und werden von dort über Satellit an Forschungseinrichtungen übertragen.

Geburtsstunde der Neutrinoastronomie

"Wir erleben vielleicht gerade die Geburtsstunde der Neutrinoastronomie", sagt Markus Ackermann, Leiter der Neutrinoastronomiegruppe beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Zeuthen bei Berlin. Allerdings konnten die Forscher die 28 Ereignisse noch keiner bestimmten kosmischen Quelle zuordnen. Dafür sei die Zahl zu gering.

Zur internationalen Ice-Cube-Gruppe gehören 260 Wissenschaftler aus elf Ländern. Aus Deutschland sind neben dem Desy acht Hochschulen dabei. Das Desy ist nach der Universität von Wisconsin-Madison der zweitgrößte Partner der Gruppe.

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