Neutrinoastronomie mit IceCube

Mithilfe von Neutrinos – nahezu masselosen Elementarteilchen – wollen Astronomen ganz neue Einblicke ins Universum gewinnen. Klaus Helbing von der Universität Wuppertal berichtet, wie das mit dem Experiment IceCube am Südpol gelingt.

Mit knapp zwanzig Kilometern pro Stunde weht der Wind über die weiten Eisflächen der Antarktis. Auf mehr als minus zwölf Grad Celsius steigt die Temperatur hier selbst tagsüber nicht. In extrem kalten Nächten sinkt sie sogar auf bis zu minus achtzig Grad. Eine Nacht dauert hier am Südpol immerhin ganze sechs Monate. So lange ist der eisige Kontinent in Dunkelheit gehüllt, denn die Sonne zeigt sich nur zwischen März und September. Dies ist die Kulisse für den größten Teilchendetektor der Welt. Mit IceCube sind Forscher seit einigen Jahren auf der Suche nach besonders energiereichen Neutrinos.

Klaus Helbing: „Man betreibt Astronomie seit Jahrtausenden, aber eben fast ausschließlich mit Licht, also Photonen bei verschiedenen Energien, während wir jetzt wirklich vor einer neuen Epoche stehen. Neutrinos sind eigentlich die exotischsten Elementarteilchen, die es so gibt. Exotisch an denen ist einmal, dass sie so viel leichter als alle anderen Elementarteilchen sind. Ursprünglich dachte man, sie sind masselos. Das hat sich als falsch herausgestellt, aber sie sind eine Million Mal leichter als das nächstschwere Elementarteilchen, das Elektron.“

Indirekte Spuren

Neutrinos sind außerdem elektrisch neutral. Sie wechselwirken ausschließlich über die sogenannte schwache Kraft, eine der vier Grundkräfte der Physik, zu denen außerdem die Gravitation sowie die starke und die elektromagnetische Kraft gehören. Im Vergleich zur elektromagnetischen hat die schwache Kraft eine viel kleinere Reichweite. Dadurch treten Neutrinos überhaupt nur sehr selten mit anderer Materie in Wechselwirkung, was ihren Nachweis schwierig macht.

Bohrschacht von IceCube

„Man kann sie nur indirekt nachweisen, indem man Kernreaktionen von Neutrinos beobachtet, in denen sekundäre Teilchen entstehen, die geladen sind. Genau die beobachtet man dann. Aus der Rekonstruktion dessen, was bei dieser Kernreaktion passiert, kann man nun zurückschließen, dass es sich um ein Neutrino gehandelt hat.“

Um solche Kernreaktionen zu beobachten, bei denen geladene Teilchen wie beispielsweise Elektronen, Myonen oder auch Tauonen entstehen, nutzen die Forscher die natürlichen Gegebenheiten am Südpol. Dieser ist von einem etwa drei Kilometer dicken Gletscher bedeckt.

„Wir bohren dort Löcher ins Eis, um in einer Tiefe von zwei Kilometern Photosensoren einzufrieren. Damit können wir dann die Sekundärteilchen beobachten, von denen ich eben gesprochen habe, die bei einer Neutrinoreaktion entstehen. Diese Sekundärteilchen bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit.“

Bewegt sich ein derart schnelles Teilchen durch das Eis, werden die Atome darin entlang der Flugbahn des Teilchens zu elektrischen Schwingungen angeregt. Die dadurch erzeugten elektromagnetischen Wellen werden als Tscherenkowstrahlung bezeichnet. Die bläulich schimmernde Strahlung wird mit Photosensoren im Eis aufgenommen. Aus mehr als fünftausend solcher Photosensoren, die auf insgesamt 86 Kabelstränge verteilt sind, besteht der Detektor. Die Sensoren decken ein Eisvolumen von etwa einem Kubikkilometer ab. Das macht IceCube zum größten Teilchendetektor der Welt. Die Photosensoren, auch Photomultiplier genannt, wandeln Lichtsignale in elektrische Signale um und verstärken sie. So können die Spuren geladener Teilchen im Detektor rekonstruiert werden.

Von Neutrinos durchströmt

„Wir suchen hauptsächlich nach sehr hochenergetischen Neutrinos. Wir wollen so herausfinden, wie die kosmische Strahlung, die wir schon seit hundert Jahren kennen, eigentlich entsteht.“

IceCube

Die kosmische Strahlung trifft aus allen Richtungen auf die Erde und besteht hauptsächlich aus Protonen, aber auch aus schwereren Kernen sowie aus Elektronen und Neutrinos. Als Quelle dieser sehr energiereichen Teilchenstrahlung kommen verschiedene astrophysikalische Objekte infrage, wie beispielsweise Sternexplosionen oder supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren anderer Galaxien. Wie genau die Teilchen dort beschleunigt werden, ist aber noch weitgehend unklar. Mithilfe von Neutrinos wollen die Forscher nun einen Einblick in diesen Beschleunigungsprozess gewinnen. Dabei haben Neutrinos gegenüber geladenen Teilchen einen bedeutenden Vorteil.

„Neutrinos haben die Eigenschaft, dass sie – dadurch, dass sie nicht geladen sind – tatsächlich auf direktem Weg von diesen Objekten zu uns kommen. Das heißt also, mit Neutrinos können wir sehr gut die Richtung, aus der sie kommen, feststellen und wir können auch feststellen, welcher Prozess diese Teilchen beschleunigt.“

Dasselbe gilt auch für Photonen, die ebenfalls elektrisch neutral sind und somit auf ihrem Weg zur Erde nicht durch intergalaktische Magnetfelder abgelenkt werden. Doch auch gegenüber Photonen haben Neutrinos einen Vorteil.

„Mithilfe von Neutrinos kann man in wesentlich dichtere Gegenden des Universums schauen. Bei vielen Objekten, in denen interessante Physik abläuft, ist die Materie so verdichtet, dass das Licht nicht mehr herauskommt. Und das ist bei Neutrinos eben anders – sie können die Materie problemlos durchdringen. Auch wir werden pro Sekunde von Milliarden von Neutrinos durchströmt, ohne dass irgendeine Wechselwirkung stattfindet.“

Ernie und Bert

Den ersten Erfolg mit IceCube verzeichneten die Forscher 2012 – nur zwei Jahre nach dessen Fertigstellung – als der Nachweis zweier besonders schneller Neutrinos gelang. Diese erhielten inoffiziell die Namen „Ernie“ und „Bert“.

„Diese beiden Neutrinos besitzen eine Energie von einem Petaelektronenvolt. Zum Vergleich: Das ist hundertmal energiereicher als das, was der LHC produziert.“

Im November 2013 verkündeten die Forscher dann die Entdeckung 26 weiterer Neutrinos. Diese stammen aus demselben Datensatz wie Ernie und Bert, besitzen jedoch weniger Energie. Darum wurden sie erst etwas später mithilfe einer verbesserten Analysetechnik identifiziert.

IceCube

„Dadurch, dass wir verstanden haben, wie man nach diesen Teilchen suchen muss, konnten wir denselben Datensatz nochmals durchforsten – quasi mit etwas weiter aufgeklapptem Visier.“

So suchen die Forscher beispielsweise gezielt nach Spuren, die erst im Inneren des Detektors beginnen. Damit lässt sich zwischen geladenen Teilchen, die durch Neutrinokernreaktionen entstehen, und solchen, die bereits außerhalb des Detektors durch andere Prozesse entstanden sind, unterscheiden. Um die Herkunft der Neutrinos genauer zu bestimmen, gibt es neben ihrer Energie zwei Anhaltspunkte.

„Zum einen kann man schauen, ob es zum Beispiel in der optischen Astronomie bestimmte sogenannte zeitlich variable Objekte gibt. Etwa Gammastrahlenausbrüche, die nur für wenige Sekunden sichtbar sind. Und dann kann man gucken, ob gleichzeitig bei uns eine erhöhte Rate an Neutrinos ankommt.“

Andererseits lässt sich feststellen, ob die Neutrinos alle aus derselben Richtung kommen. Woher genau die insgesamt 28 bisher identifizierten Neutrinos stammen, können die Forscher noch nicht mit Sicherheit sagen. Dazu müssen sie noch viel mehr Daten aufnehmen und analysieren.

„Wir hoffen, den Detektor noch mindestens zehn weitere Jahre betreiben zu können. Damit würden wir natürlich irgendwann auf einige Hundert solcher Neutrinos kommen. Und dann könnte man vielleicht sagen, ob es wirklich eine Quelle gibt.“