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Messtechnik extrem 10.000 Sensoren im antarktischen Eis messen kosmische Neutrinos

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

Bei minus 40 Grad und 2,4 km unter dem Eis erhält das größte Neutrino-Observatorium der Welt ein Upgrade: Sein Messvolumen wird auf einen Kubikkilometer erweitert. Deutsche Forscher haben mit entscheidender Technik einen wichtigen Teil dazu beigetragen.

Der oberirdische Teil des IceCube-Experiments und die grafische Simulation eines Messsignals der Detektoren im Eis. Die Forscher können mit dem IceCube-Observatorium kosmische Neutrinos messen.(Bild: Stephan Richter, IceCube; Fotomontage: Beatrix von Puttkamer)
Der oberirdische Teil des IceCube-Experiments und die grafische Simulation eines Messsignals der Detektoren im Eis. Die Forscher können mit dem IceCube-Observatorium kosmische Neutrinos messen.
(Bild: Stephan Richter, IceCube; Fotomontage: Beatrix von Puttkamer)

Am kältesten Ort der Erde haben Forscher eines der extremsten Messprojekte der Welt erweitert: Das IceCube-Observatorium an der Amundsen-Scott-Südpolarstation misst kosmische Neutrinos in einem Kubikkilometer antarktischem Eis. Nun wurden sechs neue Messstränge mit 360-Grad-Sensorik hinzugefügt.

10.000 Sensoren verstärken schwache Lichtsignale

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) lieferte die entscheidende Komponente: 10.000 hochempfindliche Photoelektronenvervielfacher, die selbst schwächste Lichtsignale verstärken können. „Das Neue an den optischen Sensoren ist, dass sie in alle Richtungen mit Photoelektronenvervielfachern ausgestattet sind. Somit erlauben sie uns einen 360-Grad-Blick in das Eis“, erklärt Dr. Andreas Haungs vom Institut für Astroteilchenphysik des KIT.

Die Sensoren müssen bei minus 40 Grad Celsius funktionieren, sind in 40 Zentimeter große, footballförmige Glasbehälter eingebaut und werden an 1.500 Meter langen Kabelsträngen bis zu 2.400 Meter tief ins Eis gelassen.

Extremer Aufbau unter harten Bedingungen

Die Ketten mit Instrumenten werden in die ins antarktische Eis gebohrten Schächte eingelassen.(Bild: Yuya Makino, IceCube/NSF)
Die Ketten mit Instrumenten werden in die ins antarktische Eis gebohrten Schächte eingelassen.
(Bild: Yuya Makino, IceCube/NSF)

Der Installationsprozess ist speziell. Ein Heißwasserbohrer schmilzt innerhalb von zwei Tagen 2.400 Meter tiefe Schächte ins Eis. Anschließend werden die Messketten eingelassen und die Schächte frieren wieder zu. Das Ergebnis ist ein unterirdisches Netzwerk aus Hochpräzisions-Sensoren, das selbst schwächste Lichtsignale von durchreisenden Neutrinos einfängt.

Zusätzlich entwickelten und bauten die KIT-Forscher die Oberflächeninstrumentierung. Sie besteht aus Szintillatoren und Radioantennen, die das System komplettieren.

Der IceCube-Gen2 erweitert das Messvolumen

Schematische Darstellung des unterirdischen Teils des IceCube-Experiments mit der Ergänzung des Upgrades (rot).(Bild: IceCube Collaboration)
Schematische Darstellung des unterirdischen Teils des IceCube-Experiments mit der Ergänzung des Upgrades (rot).
(Bild: IceCube Collaboration)

Was heute schon beeindruckt, ist erst der Anfang. Die Forscher arbeiten bereits an der zweiten Generation des IceCube. Dieser soll das Messvolumen auf acht Kubikkilometer erweitern. Deutschland investiert 55 Mio. Euro in das Projekt, bei dem DESY und KIT als gleichberechtigte Träger zusammenarbeiten.

„Gen2 ermöglicht Neutrino-Astronomie bei höchsten Energien. Es entsteht ein weltweit einzigartiges Observatorium, das Neutrinos über einen Energiebereich von zehn Größenordnungen messen kann“, sagt Professor Ralph Engel, Leiter des Instituts für Astroteilchenphysik am KIT.

Auch bei den Zahlen kann das Forschungsprojekt in der Antarktis beeindrucken. An IceCube arbeiten 450 Forscher aus 58 Institutionen in 14 Ländern unter der Leitung der University of Wisconsin-Madison (USA) zusammen. Deutschland ist nach den USA der wichtigste Partner. Das Problem bei der Messung sind die Neutrinos selbst. Sie durchqueren das Universum nahezu ungestört. Ihre seltenen Reaktionen im Eis erzeugen geladene Teilchen, die charakteristische Lichtkegel aussenden. Genau diese Lichtkegel messen die deutschen Hochpräzisionssensoren. (heh)

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