Jagd nach kosmischen Teilchen im grönländischen Eis

Radioantennen lauschen auf Neutrinos aus dem Weltall.

Im grönländischen Eis lauscht künftig eine weltweit einzigartige Anlage nach extrem schwer fassbaren Teilchen aus dem Weltall: Das Pionier-Projekt „Radio Neutrino Observatory Greenland“ (RNO-G) verwendet eine neue Messmethode, um sehr energiereiche kosmische Neutrinos mit Radioantennen nachzuweisen. An der Forschungsstation Summit Station haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Projekts jetzt die ersten Antennenstationen im Eis installiert.

„Neutrinos sind ultraleichte und extrem scheue Elementarteilchen“, erläutert DESY-Physikerin Anna Nelles, die das Projekt mit initiiert hat. „Die Teilchen entstehen in rauen Mengen im All, vor allem bei energiereichen Prozessen wie kosmischen Teilchenbeschleunigern. Sie sind aber kaum nachweisbar, weil sie so gut wie nie mit Materie reagieren. Allein von der Sonne durchqueren pro Sekunde rund 60 Milliarden Neutrinos unbemerkt jeden fingernagelgroßen Fleck auf der Erde.“

Die ultraleichten Elementarteilchen werden manchmal auch als Geisterteilchen bezeichnet, denn sie fliegen problemlos durch Wände, die Erde und ganze Sterne. „Diese Eigenschaft macht sie interessant für die Astrophysik, weil sich mit ihnen beispielsweise auch ins Innere explodierender Sonnen oder in verschmelzende Neutronensterne blicken lässt, woher kein Licht zu uns gelangen kann“, berichtet Nelles, die auch Professorin an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg ist. „Zudem lassen sich mit Neutrinos natürliche kosmische Teilchenbeschleuniger aufspüren.“

Nur extrem selten wechselwirkt ein Neutrino jedoch mit der durchquerten Materie, wenn es – zum Beispiel im grönländischen Eisschild – zufällig auf ein Atom stößt. Bei einer solchen seltenen Kollision entsteht eine Lawine von Folgeteilchen, von denen viele im Gegensatz zum Neutrino elektrisch geladen sind. Diese geladenen Folgeteilchen erzeugen Radiowellen, die von den Antennen aufgefangen werden können.

„Der Vorteil von Radiowellen ist, dass Eis für sie ziemlich durchsichtig ist“, erläutert DESY-Physiker Christoph Welling, der zurzeit Teil des Projektteams auf Grönland ist. „Das heißt, wir können Radiosignale über Distanzen von einigen Kilometern detektieren.“ Je höher die Reichweite, desto größer das Volumen im Eis, das sich überwachen lässt, und desto größer die Chance, eine der seltenen Neutrinokollisionen aufzuspüren. „RNO-G wird der erste Radio-Neutrinodetektor im großen Maßstab sein“, sagt Welling. Zuvor hatten kleinere Versuche bereits gezeigt, dass der Nachweis kosmischer Teilchen über Radiowellen grundsätzlich möglich ist.

Insgesamt 35 Antennenstationen sollen mit einem Abstand von je 1,25 Kilometern rund um die Summit Station auf dem mächtigen grönländischen Eisschild installiert werden. Trotzdem kann es Monate oder sogar Jahre dauern, bis der Detektor anschlägt. „In der Neutrinoforschung braucht man Geduld“, erläutert Nelles. „Hochenergetische Neutrinos lassen sich ungemein selten auffangen. Aber wenn man eines erwischt, dann ist der Informationsgehalt unglaublich.“ Die Forscherinnen und Forscher denken dabei auch schon an den nächsten Schritt, denn der nächste Radio-Neutrinodetektor soll später buchstäblich am anderen Ende der Welt aufgebaut werden und das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ergänzen.

Dort hat ein internationales Konsortium, zu dem auch DESY gehört, rund 5000 empfindliche optische Messgeräte kilometertief ins ewige Eis eingeschmolzen. Diese Photomultiplier spähen nach einem schwachen bläulichen Flackern, das ebenfalls von den energiereichen Folgeteilchen einer seltenen Neutrinokollision erzeugt wird, wenn diese durchs unterirdische Eis rasen. Auf diese Weise sind IceCube bereits spektakuläre Beobachtungen von Neutrinos gelungen, die beispielsweise aus dem Umfeld eines gigantischen Schwarzen Lochs oder von einem zerrissenen Stern stammten. Die Leuchtsignale der unterirdischen Folgeteilchen lassen sich im Eis nicht so weit verfolgen wie die Radiowellen. Dafür schlagen die Photomultiplier bereits bei niedrigeren Energien der kosmischen Neutrinos an.

„Je höher die Energie, desto seltener werden die Neutrinos. Das heißt, man braucht größere Detektoren“, erläutert DESY-Forscherin Ilse Plaisier aus dem Installationsteam auf Grönland. „Die beiden Systeme ergänzen sich ideal: Das optische IceCube-Detektorgitter misst etwa bis zu einer Neutrinoenergie von einer Billiarde Elektronenvolt, das Radio-Antennenfeld wird ab rund zehn Billiarden bis zu hundert Trillionen Elektronenvolt empfindlich sein.“ Das Elektronenvolt ist eine in der Teilchenphysik weit verbreitete Einheit der Energie. Hundert Trillionen Elektronenvolt entsprechen etwa der Energie eines kräftig geschlagenen Squashballs mit 130 Kilometern pro Stunde – aber im Fall eines Neutrinos konzentriert in einem einzelnen subatomaren Teilchen, das Trillionen Trillionen Mal leichter ist als ein Squashball.

Die Installationsarbeiten für das Pionier-Projekt laufen in der ersten Phase noch bis Mitte August und waren in Pandemie-Zeiten eine besondere logistische Herausforderung: Die Teams mussten vor der Anreise zur Summit Station an verschiedenen Orten mehrere Wochen in Quarantäne verbringen, um ein Einschleppen des Coronavirus zu vermeiden. RNO-G wird mindestens fünf Jahre auf dem grönländischen Eis stehen bleiben. Die Stationen funktionieren autonom mit Solarzellen und sind per Mobilfunk untereinander vernetzt. Auf Grundlage dieses Betriebs soll dann der Neutrinodetektor IceCube am Südpol im Rahmen des Ausbaus zu Generation 2 (IceCube-Gen2) mit Radioantennen erweitert werden.

„Der Nachweis von Radiosignalen von hochenergetischen Neutrinos ist ein sehr vielversprechender Weg, den zugänglichen Energiebereich deutlich zu vergrößern und damit das neue Fenster zum Kosmos noch weiter zu öffnen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann. „Wir gehen diesen Weg über erste Testaufbauten auf Grönland, um dann auch Radioantennen am Südpol als Teil von IceCube-Gen2 zu installieren.“

An dem Pionier-Projekt sind mehr als ein Dutzend Partner beteiligt, darunter die University of Chicago, die Vrije Universiteit Brussel, die Penn State University, die University of Wisconsin-Madison und DESY.

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Anna Nelles
DESY und Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
+49 175 2472933
anna.nelles@desy.de

Weitere Informationen:

https://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=2107&am… – Pressemitteilung mit weiteren Bildern im Web