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Neutrino-Detektor in Grönland Den Geisterteilchen im Radio lauschen

Autor / Redakteur: Dr. Thomas Zoufal* / Christian Lüttmann

Sie sind unsichtbar und fast unmöglich nachzuweisen: Neutrinos aus dem All. Diese Geisterteilchen wollen Forscher nun mit einem neuen Detektor im grönländischen Eis aufspüren, der mit Radioantennen funktioniert. Diese Technik soll später auch den Ice-Cube-Detektor am Südpol ergänzen.

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DESY-Physiker Christoph Welling (l.) und DESY-Physikerin Ilse Plaisier mit einer der Radioantennen des neuen Neutrino-Detektors auf Grönland.
DESY-Physiker Christoph Welling (l.) und DESY-Physikerin Ilse Plaisier mit einer der Radioantennen des neuen Neutrino-Detektors auf Grönland.
(Bild: RNO-G, Cosmin Deaconu)

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

„Neutrinos sind ultraleichte und extrem scheue Elementarteilchen, die in rauen Mengen im All entstehen“, erläutert Anna Nelles vom Deutschen Elektronen Synchrotron DESY, die das Projekt mit initiiert hat. „Allein von der Sonne durchqueren pro Sekunde rund 60 Milliarden Neutrinos unbemerkt jeden fingernagelgroßen Fleck auf der Erde.“ Obwohl man aus Berechnungen weiß, dass sie so häufig vorkommen, sind sie aber kaum nachweisbar, weil sie so gut wie nie mit Materie reagieren.

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Wie Neutrinos ins Radio kommen

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“, erklärt DESY-Forscherin Nelles.

Nur extrem selten wechselwirkt ein Neutrino mit der durchquerten Materie, nämlich wenn es zufällig auf ein Atom stößt – etwa im grönländischen Eisschild. 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 dann mit entsprechenden Antennen nachgewiesen werden können. „Der Vorteil von Radiowellen ist, dass Eis für sie ziemlich durchsichtig ist“, sagt DESY-Physiker Christoph Welling. „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 Neutrino-Kollisionen aufzuspüren.

Geduldsprobe im Eis: Warten auf Neutrinos aus dem All

Das Radio Neutrino Observatorium Grönland ist ein Pionier-Projekt. Zum ersten Mal nutzen Forscher diese Technik im großen Maßstab, um auf die Jagd nach den Geisterteilchen zu gehen. 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“, sagt DESY-Forscherin Nelles. „Hochenergetische Neutrinos lassen sich ungemein selten auffangen. Aber wenn man eines erwischt, dann ist der Informationsgehalt unglaublich.“

Von Grönland zum Südpol

Als nächster großer Schritt soll ein weiterer Radio-Neutrinodetektor buchstäblich am anderen Ende der Welt aufgebaut werden und das Neutrino-Teleskop Ice-Cube am Südpol ergänzen. Dort hat ein internationales Konsortium, zu dem auch DESY gehört, rund 5.000 empfindliche optische Messgeräte kilometertief ins ewige Eis eingeschmolzen. Diese Photomultiplier spähen nach einem schwachen bläulichen Flackern, das ebenfalls von den energiereichen Folgeteilchen einer Neutrinokollision erzeugt wird, wenn diese durchs unterirdische Eis rasen.

Auf diese Weise sind Ice-Cube 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 zwar nicht so weit verfolgen wie die Radiowellen. Dafür schlagen die Photomultiplier bereits bei niedrigeren Energien der kosmischen Neutrinos an.

Detektoren vereint

Der Zusammenschluss eines Radio-Neutrinodetektors mit der Photomultiplier-Technik von Ice-Cube soll die Erfolgsquote der Neutrino-Forschung weiter erhöhen. „Die beiden Systeme ergänzen sich ideal“, sagt Ilse Plaisier aus dem Installationsteam auf Grönland. „Das optische Ice-Cube-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.“ Hundert Trillionen Elektronenvolt entsprechen etwa der Energie eines kräftig geschlagenen Squashballs mit 130 km/h – aber im Fall eines Neutrinos ist diese Energie in einem einzelnen subatomaren Teilchen konzentriert, das Trillionen Trillionen Mal leichter ist als ein Squashball.

Die Installationsarbeiten für das Pionier-Projekt laufen in der ersten Phase noch bis Mitte August. 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 Ice-Cube am Südpol beim geplanten Ausbau zu Generation 2 mit Radioantennen erweitert werden. „Der Nachweis von Radiosignalen von hochenergetischen Neutrinos ist ein 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.

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.

* Dr. T. Zoufal, DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron, 22607 Hamburg

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