Neutrinos sind die häufigsten Elementarteilchen und gleichzeitig die geheimnisvollsten. In jeder Sekunde rasen Milliarden dieser winzigen Partikel durch unseren Körper, ohne dass wir dies spüren. Selbst massiver Stahl, Blei oder unser gesamter Planet sind für diese „Geisterteilchen“ kein Hindernis. Denn Neutrinos tragen keine elektrische Ladung, haben kaum Masse und wechselwirken nur über die schwache Kernkraft – eine der vier Grundkräfte der Physik. Diese wirkt jedoch nur im und am Atomkern. Ein Neutrino ist daher nur dann detektierbar, wenn es auf einen Atomkern trifft.
Boten aus dem Kosmos
Gleichzeitig sind Neutrinos wichtige Helfer für die Physik, Astronomie und Kosmologie. Denn diese Elementarteilchen entstehen nicht nur bei radioaktiven Kernzerfällen oder in der Sonne. Sie werden auch bei einigen der energiereichsten Phänomene des Kosmos freigesetzt: bei Supernovae, Gammastrahlenausbrüchen oder dem Zerreißen eines Sterns an einem aktiven Schwarzen Loch. Das Entscheidende jedoch: Solche kosmischen Neutrinos können Milliarden Lichtjahre überwinden, ohne abgelenkt zu werden.
Fängt man Neutrinos ein und ermittelt ihre Herkunft, kann man herausfinden, wie und wo solche kosmischen Ereignisse stattfinden. Weil die „Geisterteilchen“ quasi unzerstörbar sind, lassen sich im Kosmos sogar noch Neutrinos von den ersten Sternexplosionen unseres Universums finden.
Signal eines energiereichen kosmischen Neutrinos im IceCube-Neutrinodetektor — © IceCube Collaboration
Wie fängt man Neutrinos?
Das Problem jedoch: Wenn Neutrinos so „scheu“ sind und kaum mit Materie interagieren – wie fängt man sie ein? Genau diese Frage hat sich der neue Physiknobelpreisträger Francis Halzen gestellt – und beantwortet. „Francis Halzen ist die treibende Kraft hinter dem IceCube-Neutrinoobservatorium. Als leitender Wissenschaftler hat er von Beginn an die gemeinsame Arbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren maßgeblich vorangetrieben. Seine wissenschaftliche Vision bildet die Grundlage auch für künftige Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet“, erklärt das Nobelpreiskomitee.
Den Anstoß für den von ihm konzipierten Neutrinodetektor erhielt Halzen durch eine Idee aus den 1960er Jahren: Damals schlugen einige Physiker vor, lichtsensible Sensoren in großen Wassertanks als Neutrinodetektoren zu nutzen. Wenn die „Geisterteilchen“ darin mit einem Atomkern kollidieren, entstehen angeregte, geladene Sekundärteilchen, die ihre überschüssige Energie in Form von Licht abgeben.
Weil Wasser transparent ist, können Photosensoren dieses Licht einfangen. Aus der Bahn und Energie dieses Leuchtens lässt sich dann ermitteln, woher das ursprüngliche Neutrino kam und wie energiereich es war. Damit dies funktioniert, benötigt man jedoch ein großes Wasservolumen – was solche Detektoren aufwendig macht. Natürliche Gewässer wiederum eignen sich nur bedingt, weil Wasserturbulenzen und andere Störeinflüsse die Messungen erschweren.
Südpol-Eis statt Wassertank
Francis Halzen kam 1988 auf die Idee, Wasser in gefrorener Form als Neutrino-Detektor zu nutzen: das Eis der Antarktis, genauer gesagt unter dem Südpol. Der Vorteil: Das Eis dort ist sehr dick, klar und dunkel, Störungen durch Lebewesen oder Turbulenzen gibt es in der mehrere Kilometer dicken Eisdecke nicht. Zudem ist das Südpol-Plateau geologisch stabil, es gibt keine Erdbeben. Halzens Idee war es, Photodetektoren in dieses Eis einzubringen, die dann ein entsprechend großes Eisvolumen auf die subtilen Neutrino-Signale hin überwachen können.
Absenken eines Photosensors in das antarktische Eis. — © IceCube Collaboration
Doch was in der Theorie logisch erschien, war in der Praxis alles andere als einfach: Die Antarktis ist extrem lebensfeindlich. Entsprechend schwierig ist es, dort ein Observatorium zu errichten. Halzen und sein Team entschieden sich daher, die dafür nötigen Methoden und Technologien zunächst in Grönland auszuprobieren. Dort erprobten sie unter anderem, wie man die in transparenten Kugeln untergebrachten Photosensoren mithilfe von Heißwasserbohrern hunderte Meter tief ins Eis bringt.
Vom Vorläufer zum IceCube-Detektor
Anfang der 1990er Jahre begann mit dem IceCube-Vorläufer AMANDA die Konstruktion eines ersten Neutrinoobservatoriums im antarktischen Eis. Die ersten Testbohrungen waren allerdings entmutigend, denn sie enthüllten, dass das Südpoleis weniger klar war als erhofft: Unzählige kleine Bläschen trübten die Sicht der Photosensoren. Erst unterhalb von 1400 Meter Tiefe war das Eis klar genug. Das Team entwickelte daher Methoden, um ihre Sensoren in dieser Tiefe zu platzieren. Im Jahr 2000 war der AMANDA-Detektor fertig und lieferte erste Daten.
Schon bald stellte sich jedoch heraus, dass das Volumen des AMANDA-Detektors nicht ausreichte, um auch kosmische Neutrinos nachzuweisen. Weil sie sehr viel seltener sind, benötigt man ein größeres Detektorvolumen, um sie einzufangen. Daher begannen Halzen und sein Team die Konstruktion von IceCube – einem Neutrinodetektor, der gut einen Kubikkilometer Eis umfasst. 2011 war die erste Ausbaustufe von IceCube fertig: Sie umfasst 5160 Photosensoren, die in 86 senkrechten Reihen ins Eis unter dem Südpol eingelassen sind.
Aufbau des IceCube-Neutrinodetektors — © IceCube Collaboration
Die Entdeckungen von IceCube und wie es weitergeht
Seither verdanken wir dem IceCube-Neutrinodetektor einige Entdeckungen: 2013 wiesen die Physiker mit ihm das erste kosmische Neutrino nach, 2018 gelang es erstmals, eines dieser extrem energiereichen Teilchen zu seinem Ursprung zurückzuverfolgen. Das von IceCube detektierte Neutrino stammte von einem rund vier Milliarden Lichtjahre entfernten Blazar – einem aktiven Schwarzen Loch im Herzen einer Galaxie. 2023 erstellten Physiker mithilfe der Daten vom Südpol die erste Neutrino-Karte unserer Milchstraße.
Noch sind aber längst nicht alle Fragen zu den kosmischen Neutrinos und ihren Quellen geklärt. So entdeckten Physiker 2026 mithilfe von IceCube-Daten einen Knick in der Energieverteilung der kosmischen Neutrinos, dessen Ursache noch unklar ist. Und auch die Rolle dieser Elementarteilchen in anderen Bereichen der Physik und Kosmologie ist noch lange nicht auserforscht. Unter anderem deshalb wird das IceCube-Observatorium weiter ausgebaut. Anfang 2026 wurden dafür sechs weitere Stränge mit insgesamt mehr als 600 Photosensoren bis zu 2.400 Meter tief ins antarktische Eis eingelassen.
„Wir werden in den kommenden Jahren sicherlich noch einiges von der Neutrino-Astronomie hören“, konstatiert das Nobelpreiskomitee. Francis Halzen habe mit seinen theoretischen und praktischen Beiträgen einer ganzen Fachrichtung den Weeg geebnet.
Quelle: Nobelprize.org
