IceCube-Upgrade am Südpol: Neutrino-Forschung erweitert den Blick ins unsichtbare Universum
Das Neutrino-Observatorium IceCube ermittelt mitten im antarktischen Eis, ob Neutrinos aus dem Weltall auf die Erde gelangen. Mit hunderten neuen Hightech-Sensoren sind die technischen Möglichkeiten nun entscheidend erweitert worden.
Tief unter der Oberfläche des Südpols hat das IceCube-Neutrino-Observatorium ein technisches Upgrade erhalten. Während des antarktischen Sommers hatte ein internationales Team aus 51 Forschenden und Technikerinnen und Technikern sechs neue Detektorstränge mit rund 670 hochmodernen Sensoren im Eis installiert.
Die Erweiterung zielt darauf ab, künftig auch Neutrinos geringerer Energie nachweisen zu können – ein Bereich, der bisher nur eingeschränkt zugänglich war. Gleichzeitig dient das Upgrade als technologischer Probelauf für das noch größere Nachfolgeprojekt IceCube-Gen2.
Beteiligt waren zahlreiche deutsche Einrichtungen, darunter das Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, das Karlsruher Institut für Technologie sowie mehrere Universitäten von Mainz bis Aachen. Allein DESY fertigte rund 230 der neu entwickelten optischen Module.
Ein Kubikkilometer als Teleskop
IceCube ist der größte Neutrino-Detektor der Welt. In einem Volumen von einem Kubikkilometer bilden mehr als 5000 Lichtsensoren ein dreidimensionales Gitternetz im klaren Eis der Antarktis.
Weil Neutrinos Materie fast ungehindert durchdringen, sind sie extrem schwer nachweisbar. Nur selten reagieren sie mit Atomkernen im Eis. Dabei entstehen geladene Sekundärteilchen, die einen bläulichen Cherenkov-Lichtkegel aussenden – das einzige messbare Signal solcher Geisterteilchen.
360-Grad-Blick ins Eis
Herzstück des Upgrades sind neuartige mDOMs (multi-PMT digital optical modules). Die etwa basketballgroßen, druckfesten Glasmodule enthalten 24 Photomultiplier-Röhren, die in alle Richtungen ausgerichtet sind.
„Der mDOM ist ein unglaublicher Detektor“, erläutert Marek Kowalski, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor für Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Die 24 PMTs im mDOM würden dabei helfen, das gesamte Volumen des Eises zu überwachen und die Neutrino-Wechselwirkungen darin zu beobachten.
Die Rundum-Sensorik ermöglicht es, auch schwächere Lichtsignale niederenergetischer Neutrinos zu erfassen. „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“, erklärt Andreas Haungs vom KIT.
Installation gegen die Zeit
Die Montage der Detektoren gleicht einer logistischen Meisterleistung: Mithilfe eines fünf Megawatt starken Heißwasserbohrers wurden bis zu 2600 Meter tiefe Schächte in das Eis geschmolzen, was jeweils zwei Tage lang dauerte.
Anschließend wurden die bis zu 1500 Meter langen Sensorketten in die Bohrlöcher abgesenkt. Bei Temperaturen von minus 30 Grad Celsius musste alles reibungslos funktionieren.
Die Oberseite des Bohrlochs würde schnell gefrieren, berichtet Summer Blot von DESY, „und die gesamte Länge des Bohrlochs verengt sich mit der Zeit, sodass man die Bohrkette so schnell wie möglich hinunterlassen muss.“ Dann würde das gesamte Loch innerhalb von zwei Wochen zufrieren. Alle Module wurden zuvor umfangreichen Belastungstests unterzogen, um dem enormen Druck des gefrierenden Eises standzuhalten.
Innovation für das UV-Licht
Neben den mDOMs wurden auch neuartige wellenlängenschiebende optische Module (WOMs) installiert. Diese sind speziell darauf ausgelegt, ultraviolettes Cherenkov-Licht nutzbar zu machen. „Mit IceCube wollen wir Cherenkov-Licht messen“, sagt Lea Schlickmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Dieses hat einen großen UV-Lichtanteil, den die DOMs nicht messen können.“
Die WOMs hätten eine Röhre, die mit einer speziellen wellenlängenverschiebenden Farbe beschichtet ist, so Schlickmann weiter. „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.“
Bahn frei für IceCube-Gen2
Das Upgrade ist zugleich ein Testlauf für IceCube-Gen2, das geplante Nachfolgeexperiment. Es soll das Instrumentierungsvolumen auf acht Kubikkilometer erweitern und Neutrinos über zehn Größenordnungen in der Energie erfassen.
– Marek Kowalski, Leitender Wissenschaftler bei DESY, Professor für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin
Gen2 ermögliche dann Neutrino-Astronomie bei höchsten Energien, unterstreicht auch Ralph Engel vom KIT die strategische Bedeutung. „Es entsteht ein weltweit einzigartiges Observatorium, das Neutrinos über einen Energiebereich von zehn Größenordnungen messen kann.“
Mit dem erfolgreichen Ausbau richtet sich der Blick nun noch tiefer ins All – dorthin, wo Neutrinos von den extremsten Ereignissen des Universums berichten.