Größter Neutrino-Detektor erfolgreich erweitert
IceCube ist bereit, weitere Geheimnisse des Universums zu entdecken
Das IceCube Neutrino Observatory an der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis. // Foto Ilya Bodo, IceCube/NSF
„IceCube“ ist nicht nur der Name des Experiments, sondern dient auch der Beschreibung seines Aussehens. Mehr als 5.000 extrem empfindliche Lichtsensoren sind in einem Volumen von 1 km³ in das transparente Eis des Südpols eingebettet. Diese einzigartige Anordnung dient als Observatorium zur Detektion von Neutrinos, den am schwersten nachweisbaren Elementarteilchen. Um Neutrinos messen zu können, müssen sie mit Materie in Wechselwirkung treten, wodurch geladene Teilchen entstehen, die Licht im Eis produzieren. Das Licht wird von Sensoren, sogenannten digitalen optischen Modulen (DOMs), nachgewiesen. Mithilfe dieser Lichtmessungen können Informationen über die Eigenschaften der Neutrinos ermittelt werden, unter anderem ihre Energie und Richtung.
Das IceCube-Neutrino-Observatorium sucht seit 2010 nach hochenergetischen Neutrinos aus dem Weltraum. In den letzten Jahren hat es bereits wichtige Erkenntnisse über die Natur dieser Teilchen sowie über die Quellen hochenergetischer Neutrinos im Universum geliefert. So erhielt man beispielsweise einen ersten Einblick in das Innere einer aktiven Galaxie. Das kürzlich abgeschlossene Upgrade des Observatoriums wird dafür sorgen, dass das Experiment noch mehr Informationen über die Eigenschaften von Neutrinos und den Kosmos liefern wird.
Wuppertaler IceCube-Gruppe zentral an Entwicklung von neuen Sensoren beteiligt
Der bisher bestehende IceCube-Detektor umfasst 86 Sensorstränge. Im Rahmen des IceCube Upgrades wurden zwischen Dezember und Januar sechs neue Stränge mit sehr viel dichter gepackten Messinstrumenten installiert. Damit wurden über 600 moderne Photodetektoren und Kalibrierungsgeräte in den bestehenden IceCube-Detektor integriert.
Etwa die Hälfte dieser Module sind sogenannte multi-PMT Digital Optical Moduls (mDOMs), an deren Entwicklung und Bau die IceCube-Gruppe der Bergischen Universität Wuppertal um Prof. Dr. Klaus Helbing zentral beteiligt war. Sie war verantwortlich für die Entwicklung und den Bau der Haltestruktur, die den Einbau der neuen Sensoren ins Eis erst möglich machten. Nick Schmeißer, Doktorand in der Wuppertaler IceCube-Gruppe, sagt dazu: „Im Gegensatz zu den DOMs des ursprünglichen IceCube Detektors ist bei den mDOMs ein größerer Anteil der Oberfläche mit Photomultipliern besetzt. Diese sind die zentralen Instrumente für die Lichtmessung. Die Herausforderung für die neue Haltestruktur war also möglichst wenig von dieser sensitiven Fläche zu verdecken, aber trotzdem stabil genug zu sein, um den hohen Drücken im antarktischen Eis in 2 Kilometern Tiefe standhalten zu können.”
Die neuen Instrumente werden unser Verständnis darüber verbessern, wie sich das von Neutrino-Wechselwirkungen im Eis emittierte Licht durch den Detektor ausbreitet. Dank der höheren Instrumentendichte kann das Experiment nun zudem Signale bei niedrigeren Energien messen, die zuvor nicht erreichbar waren. „Diese höhere Empfindlichkeit und Instrumentationsdichte des IceCube-Upgrades wird ganz neue Möglichkeiten eröffnen, um nach lichtschwachen Signalen von exotischen Teilchen zu suchen“, so Dr. Alexander Sandrock von der Wuppertaler IceCube-Gruppe. Neue Erkenntnisse über das antarktische Eis werden es darüber hinaus auch rückwirkend erlauben, die Rekonstruktion der Neutrino-Eigenschaften aus den Daten der vergangenen fünfzehn Jahre zu verbessern.
Innovative Module und Methoden
Neben den mDOMs gehören auch neun sogenannte wellenlängenschiebende optische Module (WOMs) zu den neuen Komponenten des Upgrades, die als gemeinsames Projekt der Universitäten in Mainz, Madison, Uppsala und Wuppertal entwickelt, produziert und getestet wurden. Die WOMs sind innovative, rauscharme, auf UV-Licht spezialisierte Detektoren.
Die Wuppertaler IceCube-Gruppe steuerte auch für diese Sensoren die Haltestruktur bei, die aufgrund der zylindrischen Form der WOMs einer kompletten Neuentwicklung bedurfte. Überdies leistete sie Beiträge zur Charakterisierung der verwendeten PMTs und zur Entwicklung der verbauten Elektronik. „Das Spezielle am Bau von Sensoren für IceCube ist, dass sämtliche Bauteile sowohl den Druck im Eis als auch Temperaturen von bis zu -50°C aushalten müssen”, betont Nick Schmeißer.
Der Upgrade ist zugleich ein Testfeld für Technologien und Methoden, die später im viel größeren IceCube-Gen2-Projekt eingesetzt werden. IceCube-Gen2 soll die Empfindlichkeit für ultrahochenergetische Neutrinos immens steigern. „Der Radionachweis von Neutrinos bei IceCube-Gen2 ermöglicht erstmals die Detektion ultrahochenergetischer kosmischer Neutrinos über kilometerweite Funkimpulse und erweitert damit das beobachtbare Universum auf Energien, die direkt mit Prozessen aus der Frühzeit des Kosmos und der Entstehung großskaliger Strukturen verknüpft sind“, sagt Adam Rifaie, Doktorand in der Wuppertaler Gruppe, der an dieser neuen Nachweismethode arbeitet.
Über den internationalen Forschungsverbund
Die IceCube-Kollaboration besteht aus mehr als 450 Physiker*innen von 58 Institutionen aus 14 Ländern. Dieses internationale Team leitet das wissenschaftliche Programm und viele seiner Mitglieder haben am Design und Bau des Detektors mitgewirkt. Die Finanzierung des IceCube-Neutrino-Observatoriums in den USA erfolgt durch die National Science Foundation (NSF) mit bedeutender Unterstützung von Partnerorganisationen weltweit. Deutschland ist mit elf Institutionen der zweitgrößte Partner und leistet einen sichtbaren und signifikanten Beitrag zu IceCube, wobei die Unterstützung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) eine Schlüsselrolle spielt.
Neben der Bergischen Universität Wuppertal gehören zur Kollaboration die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Humboldt-Universität zu Berlin, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das Karlsruher Institut für Technologie, die Ruhr-Universität Bochum, die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, die Technische Universität Dortmund, die Technische Universität München, die Universität Münster und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY).
