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IceCube am Südpol fängt Neutrinos: Bochumer Forscher suchen ferne Galaxien

19.01.2011
Größter Teilchendetektor der Welt ist fertig

Was sich in unendlich weiter Ferne im Weltall abspielt, wollen Forscher um Prof. Dr. Julia Becker wissen. Seit kurzem nutzen sie dafür ein neues Instrument: Den größten Teilchendetektor der Welt „IceCube“ im ewigen Eis am Südpol, der Ende Dezember fertiggestellt wurde.

Ein Kubikkilometer kristallklares Eis ist durchsetzt mit hochempfindlichen Lichtsensoren, die die Spuren von Neutrinos auffangen. Diese leichten Teilchen reisen unbeeinträchtigt von Magnetfeldern und Materie auf gerader Bahn durchs All und künden von fernen Galaxien.

Die Bochumer Forscher der Arbeitsgruppe Hochenergie-Teilchenastrophysik sind im Rahmen des Research Departments Plasmas with Complex Interactions an IceCube beteiligt und analysieren die empfangenen Daten.

Einen Kubikkilometer groß

Nach knapp sechs Jahren Bauzeit und einem Jahrzehnt Vorbereitung war das Neutrino-Teleskop IceCube fertig. Es besteht aus 86 Kabeltrossen, an denen in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 km jeweils 60 Glaskugeln angebracht sind. Sie umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das schwache bläuliche Leuchten auffangen, das bei Neutrinoreaktionen entsteht. Insgesamt ist ein Volumen von einem Kubikkilometer mit Lichtsensoren bestückt.

Neutrinos reisen geradeaus

Neutrinos sind geisterhafte Elementarteilchen, die 1930 vorhergesagt, jedoch erst 1956 nachgewiesen wurden. Sie entstehen in fernen Galaxien, bei Supernovae und auch in unserer eigenen Galaxie, etwa in der Sonne, und in der Erdatmosphäre durch Wechselwirkungen zwischen Kosmischer Strahlung und Materie. Milliarden von ihnen prasseln pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche, und die meisten von ihnen durchdringen die Erde, ohne mit einem einzigen Atom zu kollidieren. Weil sie kaum mit anderer Materie in Wechselwirkung treten, sind Neutrinos zwar schwer nachzuweisen. Aber sie können genau deswegen auch ungestört durchs All reisen und werden von Magnetfeldern nicht abgelenkt. „Man braucht also nur ihre Herkunftsrichtung zurückzuverfolgen, um auf ihren Ursprungsort schließen zu können“, erklärt Prof. Becker. „Die Einfallsrichtung geladener Teilchen der Kosmischen Strahlung ist mehr oder weniger zufällig.“

Unerwartete Teilchen künden von fernen Galaxien

Prof. Becker und ihr Team haben sich auf die Analyse von sog. Myon-Neutrinos spezialisiert, einer von drei Untergruppen der Teilchen. Sie eignen sich am besten, um extraterrestrische Phänomene zu untersuchen. Besonders sog. aktive Galaxien interessieren die Forscher, d.h. Galaxien mit einem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum und sehr viel Materie drum herum. Die Arbeit der Bochumer Forscher besteht im Wesentlichen aus dem Abgleich der von IceCube gewonnenen Daten mit ihren theoretischen Berechnungen. „So können wir Neutrinos aus entfernten Regionen des Weltalls von denen unterscheiden, die in unserer Galaxie entstehen“, erläutert Prof. Becker. „Wir berechnen, welcher Einfall an Neutrinos als ‚Grundrauschen‘ zu erwarten ist, und konzentrieren uns auf die Spuren der Neutrinos, die wir von den astronomischen Quellen erwarten.“ Andere Arbeitsgruppen, die mit IceCube arbeiten, haben sich zum Beispiel auf andere Arten von Neutrinos spezialisiert. Bei der Suche nach astronomischen Quellen mit Myon-Neutrinos arbeitet die Bochumer Arbeitsgruppe insbesondere mit der Dortmunder Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wolfgang Rhode zusammen.

IceCube am geographischen Südpol

IceCube ist im tiefen Eis unter der US-amerikanischen Amundsen-Scott-Station am geographischen Südpol installiert. Der Südpol eignet sich besonders gut für dieses Projekt wegen seines kristallklaren Tiefeneises und der exzellenten Infrastruktur, die die Amundsen-Scott-Station bietet. Ausrüstungen und Personen werden von McMurdo, der amerikanischen Station am Rande der Antarktis, mit kufenbestückten Transportflugzeugen eingeflogen. Die Installationsarbeiten werden im antarktischen Sommer zwischen November und Februar durchgeführt, wenn die Sonne 24 Stunden am Tag scheint und die Temperaturen auf erträgliche -30°C steigen. Die Löcher, in die die Kugeln herabgelassen werden, werden mit 80°C heißem Wasser ins Eis geschmolzen. Nachdem eine Trosse mit optischen Sensoren herabgelassen ist, friert das Loch innerhalb weniger Tage wieder zu. Die von allen Sensoren gemessenen Signale werden zur Zentralstation an der Oberfläche übertragen, dort aufbereitet und via Satellit an die Forschungsinstitute auf der Nordhalbkugel gesendet.

Jens Dreyer überwintert am Südpol

Hautnah bei der Vervollständigung des Detektors war Dr. Jens Dreyer, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Becker. Er ist Anfang November 2010 zum Südpol geflogen und wird den kommenden Winter dort verbringen. „Es war ein wirklich erhebendes Gefühl, als die letzten Bauteile von IceCube im Eis verschwanden. Jetzt kann es endlich so richtig losgehen“, sagt er. Über seine Eindrücke vor Ort berichtet er regelmäßig online in seinem Blog: http://hunnenhorst.wordpress.com/

Internationales Konsortium

Das Projekt wird von einem internationalen Konsortium unter Führung der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) betrieben. Die NSF hat auch den größten Teil der Baukosten von 279 Mio. US-Dollar übernommen. Rund 250 Forscher, Ingenieure und IT-Spezialisten arbeiten im Projekt.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Julia Becker, Theoretische Physik, Hochenergie-Teilchen-Astrophyik, Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23779, E-Mail: julia@tp4.ruhr-uni-bochum.de, http://www.tp4.rub.de/hat/

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.icecube.wisc.edu
http://hunnenhorst.wordpress.com/

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