KM3NeT

KM3NeT ist ein Neutrinoteleskop im Mittelmeer. Statt einen Detektor zu bauen, nutzt es das Meer selbst: Lichtsensoren hängen an Trossen im Wasser und warten darauf, dass ein Neutrino in der Tiefe einen Lichtblitz auslöst.

Das Vorhaben ist der europäische Gegenpart zu IceCube am Südpol.

Zwei Anlagen, zwei Aufgaben

KM3NeT besteht aus zwei Teilen mit unterschiedlichem Zweck — dieselbe Technik, nur mit anderen Abständen zwischen den Sensoren.

ARCA liegt rund hundert Kilometer vor Sizilien in etwa 3.500 Metern Tiefe. Die Trossen stehen weit auseinander, damit ein möglichst großes Volumen überwacht wird. ARCA sucht nach Neutrinos aus dem Weltall — aus aktiven Galaxienkernen, Supernovaresten und anderen kosmischen Beschleunigern. Das ist Neutrinoastronomie.

ORCA liegt vor Toulon in etwa 2.450 Metern Tiefe. Hier stehen die Sensoren dicht beieinander, um auch Neutrinos geringerer Energie zu erfassen. ORCA misst atmosphärische Neutrinos, die die Erde durchquert haben, und bestimmt daraus über den MSW-Effekt die Reihenfolge der Neutrinomassen.

Aus derselben Bauweise entstehen so zwei völlig verschiedene Forschungsprogramme.

Warum das Meer

Meerwasser ist klar, tief und kostenlos vorhanden. Die Wassersäule darüber hält den größten Teil der kosmischen Myonen ab, die sonst jedes Signal überdecken würden.

Das Verfahren hat auch Nachteile. Meerwasser enthält Kalium-40, das radioaktiv ist und dabei leuchtet. Und in der Tiefsee leben Organismen, die biolumineszieren. Beides erzeugt einen dauernden Untergrund, den man herausrechnen muss.

Dafür ist Wasser optisch klarer als Eis und streut das Licht weniger. Antarktisches Eis enthält Korngrenzen und Staubschichten aus vergangenen Klimaepochen, an denen Licht seine Richtung ändert. KM3NeT bestimmt die Richtung eines Teilchens deshalb schärfer als IceCube — was für die Zuordnung zu einer Quelle am Himmel entscheidend ist.

Der Aufbau der Sensoren

Die Lichtsensoren sitzen in Glaskugeln von etwa 43 Zentimetern Durchmesser, die dem Druck der Tiefsee standhalten. Jede enthält 31 kleine Photovervielfacher statt eines einzelnen großen.

Diese Bauform ist eine Eigenheit von KM3NeT und hat einen handfesten Grund: Schon aus einer einzigen Kugel lässt sich ablesen, aus welcher Richtung das Licht kam, weil die Röhren in verschiedene Richtungen blicken. Außerdem unterscheidet sich ein echtes Teilchensignal, das mehrere Röhren gleichzeitig trifft, klar vom Rauschen einer einzelnen.

Die Trossen werden zusammengerollt auf den Meeresgrund gebracht und entfalten sich dort von selbst — eine Technik, die den Einsatz von Tauchbooten erspart.

Ein außergewöhnliches Ereignis

Im Februar 2025 berichtete die Kollaboration in Nature über ein Ereignis vom 13. Februar 2023, aufgezeichnet im ARCA-Detektor.

Ein Myon durchquerte die Anlage nahezu waagerecht und mit außerordentlicher Helligkeit. Die abgeschätzte Energie des auslösenden Neutrinos liegt im Bereich von etwa 220 Petaelektronenvolt — das energiereichste jemals beobachtete Neutrino, um mehr als eine Größenordnung oberhalb dessen, was IceCube bis dahin gesehen hatte.

Woher es stammt, ist offen. Möglich sind ein extrem energiereicher kosmischer Beschleuniger oder ein sogenanntes kosmogenes Neutrino, das entsteht, wenn kosmische Strahlung auf die Mikrowellenhintergrundstrahlung trifft.

Bemerkenswert ist, dass ein einzelnes Ereignis dieser Art überhaupt eine Veröffentlichung in Nature trägt. Es zeigt, wie dünn die Datenlage bei den höchsten Energien noch ist.

Stand

Beide Anlagen werden schrittweise ausgebaut und messen dabei bereits. Diese Bauweise hat einen Vorzug: Jede zusätzlich verankerte Trosse vergrößert den Detektor, ohne dass der Betrieb unterbrochen werden müsste.

Quellen

KM3NeT-Kollaboration: Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT, Nature 638, 376 (2025).
KM3NeT-Kollaboration: Letter of Intent for KM3NeT 2.0, Journal of Physics G 43, 084001 (2016).