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Der weltweit größte Neutrino-Detektor wurde erfolgreich aufgerüstet
Der Name „IceCube“ dient nicht nur als Titel des Experiments, sondern auch als Beschreibung seines Aussehens. Eingebettet in das transparente Eis des Südpols, bildet ein dreidimensionales Gitter aus mehr als 5.000 extrem empfindlichen Lichtsensoren einen riesigen Würfel mit einem Volumen von einem Kubikkilometer. Diese einzigartige Anordnung dient als Observatorium zur Detektion von Neutrinos, den am schwersten nachweisbaren Elementarteilchen. Um Neutrinos nachweisen zu können, müssen sie mit Materie in Wechselwirkung treten, wodurch geladene Teilchen entstehen, deren Licht gemessen werden kann. Mithilfe dieser Lichtmessungen können Informationen über die Eigenschaften der Neutrinos ermittelt werden. Allerdings ist die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit von Neutrinos mit Materie extrem gering, sodass sie diese in der Regel spurlos durchdringen, was ihre Detektion erheblich erschwert. Aus diesem Grund ist ein großes Detektorvolumen erforderlich, um die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zu erhöhen, und modernste Technologie ist entscheidend für die Detektion solcher seltenen Interaktionen.
Das grundlegende Funktionsprinzip von IceCube ist die Detektion des Lichts, das entsteht, wenn ein Neutrino im Eis wechselwirkt. Dabei fungiert IceCube wie ein Teleskop, das die Neutrinos „sieht“. Das charakteristische blaue Cherenkov-Licht wandert durch das Eis und wird von Sensoren, sogenannten digitalen optischen Modulen (DOMs), nachgewiesen. Mithilfe dieser Messungen können die Forschenden dann die Energie und Richtung des Ursprungsneutrinos rekonstruieren.
Das IceCube-Neutrino-Observatorium sucht seit 2010 nach hochenergetischen Neutrinos aus dem Weltraum. In den letzten Jahren hat es bereits wichtige Erkenntnisse über die Natur dieser Teilchen und die Quellen hochenergetischer Neutrinos im Universum geliefert. So erhielt man beispielsweise einen ersten Einblick in das Innere einer aktiven Galaxie. Das kürzlich abgeschlossene Upgrade des Observatoriums wird dafür sorgen, dass das Experiment noch mehr Informationen über die Eigenschaften von Neutrinos und den Kosmos liefern wird.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sebastian Böser vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA++ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sind Teil der IceCube-Kollaboration. Diese ist seit 1999 an der JGU vertreten, damals noch unter der Leitung des ehemaligen Prof. Dr. Lutz Köpke. „In Mainz forschen wir vor allem an Neutrinos am unteren Ende des durch IceCube nachweisbaren Energiespektrums, wie sie zum Beispiel in der Atmosphäre oder auch in Supernova-Explosionen entstehen. Diese sind schwer nachzuweisen, können uns aber auch neue Erkenntnisse über die Eigenschaften der Neutrinos selbst liefern“, erklärt Böser.
Mehr Sensoren verbessern das Teleskop
Die Hauptstruktur von IceCube, bekannt als Main Array, besteht aus 86 Sensorsträngen, die im Abstand von jeweils 125 Metern ins Eis eingelassen sind. Im Rahmen des IceCube-Upgrades wurden zwischen Dezember 2025 und Januar 2026 sechs neue Stränge installiert. Damit wurden über 650 moderne Photodetektoren und Kalibrierungsgeräte in den bestehenden IceCube-Detektor integriert.
Die neuen Instrumente sollen das Verständnis darüber verbessern, wie sich das von Neutrino-Wechselwirkungen im Eis emittierte Licht durch den Detektor ausbreitet. Dank der höheren Instrumentendichte kann das Experiment nun Signale bei niedrigeren Energien messen, die zuvor nicht erreichbar waren. Dadurch wird die „Schärfe“ des Teleskops erhöht, sodass es empfindlicher für die Eigenschaften von Neutrinos wird. Darüber hinaus kann die durch das Upgrade erzielte höhere Auflösung auch rückwirkend auf Daten angewendet werden, die bereits während der ersten zehn Jahre des IceCube-Betriebs erfasst und gespeichert wurden und somit sofort zu einer erheblichen Verbesserung führen.
Eine innovative Art von Modulen
Zu den neuen Komponenten des Upgrades gehören auch neun sogenannte wellenlängenschiebende optische Module (WOMs) – innovative, auf UV-Licht spezialisierte Detektoren. „Mit IceCube wollen wir Cherenkov-Licht messen. Dieses hat einen großen UV-Lichtanteil, den die DOMs nicht messen können. Das heißt, ein großer Teil des Lichts, das bei Neutrino-Interaktionen entsteht, geht verloren, weil die Sensoren dafür nicht sensitiv genug sind“, erklärt Lea Schlickmann, Doktorandin in der Böser-Arbeitsgruppe und Hauptverantwortliche für den Bau dieser Module. „Die WOMs haben eine Röhre, die mit einer speziellen wellenlängenverschiebenden Farbe beschichtet ist. 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.“
Die WOMs wurden in Mainz gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Wuppertal und Madison mit weiterer Unterstützung aus Uppsala und Berlin entwickelt, produziert und getestet. Diese ersten Module dienen als Proof-of-Principle für ihre Leistungsfähigkeit und ihre Messungen von UV-Cherenkov-Licht im Eis. „In Zukunft können WOMs äußerst wichtige Informationen über Neutrinos und ihren Ursprung im Universum liefern. Sie wären besonders geeignet für den Nachweis von Neutrinos, die bei einer Supernova entstehen, was äußerst interessant zu beobachten wäre“, so Schlickmann.
Neben ihrem Beitrag zur Hardware-Entwicklung des Detektors gehörte Schlickmann auch zur ersten Gruppe von Forschenden, die zum Südpol reisen durften, um am IceCube-Upgrade mitzuarbeiten. Dort hat sie nicht nur die WOMs ein letztes Mal getestet, bevor sie ins Eis eingebaut wurden, sondern auch bei allen möglichen Aufgaben mitgeholfen, die für den Erfolg der Mission notwendig waren – vom Schneeschippen, um Equipment freizuschaufeln, bis hin zum Testen und Verladen der ersten 300 Module.
Die IceCube-Kollaboration besteht aus mehr als 450 Physikerinnen und Physikern von 58 Institutionen aus 14 Ländern. Dieses internationale Team leitet das wissenschaftliche Programm und viele seiner Mitglieder haben am Design und Bau des Detektors mitgewirkt. Die Finanzierung des IceCube-Neutrino-Observatoriums in den USA erfolgt durch die National Science Foundation (NSF) mit bedeutender Unterstützung von Partnerorganisationen weltweit. Deutschland ist mit elf Institutionen der zweitgrößte Partner und leistet durch die Förderung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) einen sehr sichtbaren und signifikanten Beitrag zu IceCube. Neben der JGU gehören zur Kollaboration die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Humboldt-Universität zu Berlin, das Karlsruher Institut für Technologie, die Ruhr-Universität Bochum, die RWTH Aachen University, die Technische Universität Dortmund, die Technische Universität München, die Universität Münster, die Bergische Universität Wuppertal und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY).
Lea Schlickmann
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
und Exzellenzcluster PRISMA++
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
E-Mail: lschlick@uni-mainz.de
https://www.etap.physik.uni-mainz.de/
Prof. Dr. Sebastian Böser
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
und Exzellenzcluster PRISMA++
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: 06131 39-23865
E-Mail: sboeser@uni-mainz.de
https://www.etap.physik.uni-mainz.de/prof-sebastian-boser/
Das IceCube-Labor mit nahe gelegenen Lagercontainern für das IceCube-Upgrade
Source: Ilya Bodo
Copyright: IceCube/NSF
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Cooperation agreements
German
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