Messtechnik extrem 10.000 Sensoren im antarktischen Eis messen kosmische Neutrinos

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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.

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. Damit können wir Neutrino-Wechselwirkungen bei kleineren Energien beobachten und dadurch Eigenschaften der Neutrinos bestimmen, komplementär zum KATRIN Experiment am KIT“, erklärt Dr. Andreas Haungs vom 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 Sensoren müssen bei minus 40 Grad Celsius funktionieren, sind in 40 Zentimeter große footballförmige Glasbehältern eingebaut, die auch mDOMs (Multi-PMT Digital Optical Modules) genannt werden. Kabelstränge verbinden die Glasbehälter und weitere Messinstrumente zu einer Art Perlenkette von einer Länge von 1.500 Metern.

Extremer Aufbau unter harten Bedingungen

Der Installationsprozess ist speziell. Ein Heißwasserbohrer schmilzt innerhalb von zwei Tagen Schächte mit einer Tiefe von 2.400 Metern ins Eis. So entstehen sechs Schächte, in die die Messketten eingelassen werden. Nach dem Einbringen der Messinstrumente frieren die Schächte wieder zu. Das Ergebnis ist ein unterirdisches Netzwerk aus Hochpräzisionssensoren, das selbst die schwächsten Lichtsignale von durchreisenden Neutrinos einfängt.

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 Forscher des KIT waren für die rund 10.000 Photoelektronenvervielfacher verantwortlich, die in IceCube verbaut wurden. Außerdem sind die KIT-Forscher für die Erweiterung der Instrumentierung an der Oberfläche des Experiments zuständig: Sie besteht aus Szintillatoren und Radioantennen, welche die Forschenden entwickelt und gebaut haben.

Der IceCube-Gen2 erweitert das Messvolumen

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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