IceCube

IceCube ist das größte Neutrinoteleskop der Welt. Es besteht nicht aus einem Tank, sondern aus einem Kubikkilometer antarktischem Eis — durchsetzt von Lichtsensoren, die tief in Bohrlöchern hängen.

Die Anlage liegt am geographischen Südpol, unmittelbar bei der Amundsen-Scott-Station, und wurde im Dezember 2010 fertiggestellt.

Der Aufbau

5.160 kugelförmige Lichtsensoren hängen an 86 Stahlseilen in Tiefen zwischen 1.450 und 2.450 Metern. Jede Kugel enthält einen Photovervielfacher und die zugehörige Elektronik; sie muss dem Druck standhalten und darf über Jahrzehnte nicht ausfallen, denn erreichbar ist sie nie wieder.

Die Bohrlöcher wurden mit Heißwasser geschmolzen — ein Loch von 2,5 Kilometern Tiefe in rund zwei Tagen. Danach friert das Wasser um die Sensoren herum wieder zu und schließt sie für immer ein.

Der Nachweis erfolgt über Tscherenkow-Strahlung. Ein Neutrino erzeugt bei einer Wechselwirkung im Eis ein geladenes Teilchen, dessen Lichtkegel die Sensoren auffangen. Aus den Ankunftszeiten an den verschiedenen Kugeln rekonstruiert man Richtung und Energie.

Warum Eis

Antarktisches Tiefeneis ist erstaunlich klar — klarer als jedes künstlich gereinigte Wasser, weil der Druck über Jahrtausende alle Luftbläschen herausgepresst hat.

Es ist außerdem umsonst, in beliebiger Menge vorhanden und dunkel. Und es schirmt ab: Über den Sensoren liegen anderthalb Kilometer Eis, die den größten Teil der kosmischen Myonen abfangen.

Der Nachteil gegenüber Wasser ist die Streuung. Eis enthält Korngrenzen und Staubschichten aus vergangenen Klimaepochen, an denen das Licht seine Richtung ändert. Die Richtungsbestimmung ist deshalb weniger scharf als bei KM3NeT im Mittelmeer.

Die Erde als Filter

Ein Kunstgriff macht das Teleskop erst brauchbar. Von oben prasseln ständig Myonen aus der Atmosphäre ein — millionenfach häufiger als jedes Neutrinoereignis.

Deshalb blickt IceCube nach unten. Neutrinos, die von der Nordhalbkugel kommen, durchqueren die gesamte Erde und treten von unten in den Detektor ein. Alles andere wird vom Planeten aufgehalten.

Der Südpol schaut damit auf den Nordhimmel.

Was gefunden wurde

2013 — die ersten kosmischen Neutrinos. Die Kollaboration meldete Ereignisse mit Energien im Petaelektronenvolt-Bereich, tausendfach über allem, was Beschleuniger erzeugen. Ihre Verteilung am Himmel zeigte, dass sie von außerhalb unserer Galaxie stammen müssen. Die drei ersten erhielten Spitznamen aus der Sesamstraße.

2017 — die erste benannte Quelle. Am 22. September registrierte IceCube ein hochenergetisches Neutrino und gab binnen Minuten eine automatische Warnung an Observatorien weltweit aus. Teleskope richteten sich auf die Stelle und fanden dort einen Blazar — den aktiven Kern einer fernen Galaxie mit der Bezeichnung TXS 0506+056, der gerade in einem Ausbruch war.

Zum ersten Mal ließ sich ein einzelnes kosmisches Neutrino einer benannten Quelle zuordnen. Der Vorgang gilt als Musterbeispiel für Multi-Messenger-Astronomie.

2023 — die Milchstraße in Neutrinos. Aus zehn Jahren Daten entstand eine Karte unserer eigenen Galaxie, gezeichnet nicht mit Licht, sondern mit Teilchen. Auf ihr leuchtet die galaktische Scheibe — dieselbe Struktur, die man am Nachthimmel als Milchstraße sieht, nur in einem völlig anderen Boten.

Was IceCube sonst leistet

Der Detektor misst atmosphärische Neutrinos und bestimmt daraus Oszillationsparameter. Der dichter bestückte Innenbereich DeepCore senkt die Nachweisschwelle für diesen Zweck.

Bei einer Supernova in unserer Galaxie würde die gleichzeitige Aufhellung aller Sensoren ein Signal geben, auch ohne einzelne Ereignisse aufzulösen.

Geplant ist IceCube-Gen2 mit etwa dem achtfachen Volumen.

Quellen

IceCube-Kollaboration: Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos, Science 342, 1242856 (2013).
IceCube-Kollaboration u. a.: Multimessenger observations of a flaring blazar, Science 361, eaat1378 (2018).
IceCube-Kollaboration: Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane, Science 380, 1338 (2023).