Seit 2010 liefert das IceCube-Observatorium an der Amundsen-Scott-Südpolarstation bahnbrechende Messungen höchstenergetischer kosmischer Neutrinos. Es besteht aus vielen Detektoren, die in ein rund einen Kubikkilometer großes Volumen des antarktischen Eises eingelassen sind. Nun wurde IceCube mit neuen optischen Modulen aufgerüstet, um auch Neutrinos kleinerer Energie messen zu können. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) leisteten einen wesentlichen Beitrag zu dieser Erweiterung.


Mit IceCube können Forschende in einem Kubikkilometer antarktischen Eises hochenergetische Neutrinos messen. Da Neutrinos selbst keine Signale abgeben, vermisst man ihre Spur über Myonen und andere Sekundärteilchen, die bei seltenen Wechselwirkungen im Eis entstehen. Diese elektrisch geladenen Elementarteilchen senden beim Durchqueren des Eises einen charakteristischen Lichtkegel aus, den hochempfindliche Detektoren erfassen. Nun haben 51 Forschende aus aller Welt sechs neue Stränge mit neuartigen Sensoren bis zu 2 400 Meter tief ins antarktische Eis eingelassen und damit das IceCube-Experiment auch für die Messung niederenergetischer Neutrinos erweitert.

Neue optische Sensoren verstärken selbst schwache Lichtsignale

„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. Damit können wir Neutrino-Wechselwirkungen bei kleineren Energien beobachten und dadurch Eigenschaften der Neutrinos bestimmen, komplementär zum KATRIN Experiment am KIT“, sagt Dr. Andreas Haungs, wissenschaftlicher Leiter der IceCube-Arbeitsgruppe am Institut für Astroteilchenphysik des KIT. „Außerdem können wir in einem großen Volumen die Eiseigenschaften besser untersuchen und so die Messgenauigkeiten verbessern. Das Upgrade bietet im Zusammenspiel mit einer neuen Oberflächeninstrumentierung zudem neue Möglichkeiten für die Messung der hochenergetischen kosmischen Strahlung.“

Die Photoelektronenvervielfacher verstärken das schwache Lichtsignal, das geladene Sekundärteilchen aus der Wechselwirkung des Neutrinos bei ihren sehr seltenen Reaktionen im transparenten Eis aussenden. Diese Lichtverstärker sind in 40 Zentimetern großen, footballförmigen Glasbehältern, auch mDOMs (multi-PMT digital optical modules) genannt, mit weiteren Sensoren eingebaut. Kabelstränge verbinden diese mDOMs und weitere Messinstrumente zu einer Art Perlenkette von 1 500 Metern Länge. Diese Ketten werden in 2 400 Meter tiefe Schächte eingelassen, die ein Heißwasserbohrer innerhalb von zwei Tagen in das Eis schmilzt. So entstanden sechs Schächte, die nach dem Einbringen der Instrumente wieder zufrieren.

In Deutschland sind am Upgrade des IceCube-Observatoriums die Helmholtz-Zentren DESY und KIT sowie die Universitäten RWTH Aachen, Bochum, Dortmund, Erlangen, Mainz, TU München, Münster, HU Berlin und Wuppertal beteiligt. Die Forschenden des KIT waren für die rund 10 000 Photoelektronenvervielfacher verantwortlich, die in IceCube verbaut wurden. Außerdem sind die KIT-Forschenden für die Erweiterung der Instrumentierung an der Oberfläche des Experiments zuständig: Sie besteht aus Szintillatoren und Radioantennen, welche die Forschenden entwickelt und gebaut haben.

Blick in die Zukunft: IceCube-Gen2

„Mit dem Upgrade wird die Neutrino-Astronomie zu kleineren Energien erweitert. Das öffnet nicht nur ein neues Fenster beim Blick in das Universum, sondern dient auch als aussagekräftiger Technologie- und Praxistest für die geplante Erweiterung zu IceCube-Gen2“, sagt Professor Ralph Engel, Leiter vom Institut für Astroteilchenphysik des KIT. „Gen2 ermöglicht dann Neutrino-Astronomie bei höchsten Energien. Es entsteht ein weltweit einzigartiges Observatorium, das Neutrinos über einen Energiebereich von zehn Größenordnungen messen kann.“

IceCube-Gen2 ist als kommende Ausbaustufe von IceCube geplant und soll das Messvolumen des Experiments auf 8 Kubikkilometer erweitern. Es ist ein selektiertes Projekt der deutschen Nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen. Der Vollantrag der Helmholtz-Gemeinschaft, der Ende Februar in Berlin vorgestellt wird, sieht die beiden Helmholtz-Zentren Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY und KIT als gleichberechtigte Trägerinstitute mit 55 Millionen Euro Gesamtinvestition vor.

Über IceCube

Unter Führung der University of Wisconsin-Madison, USA, arbeiten an IceCube rund 450 Forschende von 58 Institutionen aus 14 Ländern. Nach den USA ist Deutschland der wichtigste Partner. Das KIT ist seit 2016 Mitglied der IceCube-Kollaboration.