Das internationale Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol wird in den kommenden Jahren erheblich erweitert. Zusätzlich zu den bestehenden 5160 Sensoren werden weitere 700 optische Module im ewigen Eis der Antarktis installiert. Die National Science Foundation in den USA hat 23 Millionen US-Dollar für den Ausbau bewilligt. Die Helmholtz-Zentren DESY und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützen mit insgesamt 5,7 Millionen Euro (6,4 Millionen US-Dollar) den Bau von 430 neuen optischen Modulen, mit denen das Observatorium unter anderem zu einem Neutrinolabor erweitert wird. IceCube, für das Deutschland mit insgesamt neun beteiligten Universitäten und den beiden Helmholtz-Zentrum der wichtigste Partner nach den USA ist, hatte im vergangenen Jahr überzeugende Hinweise auf eine erste Quelle hochenergetischer Neutrinos aus dem Kosmos veröffentlicht.

“Das IceCube-Upgrade soll nicht nur die Neutrino-Astronomie verbessern, sondern auch unser Wissen über das Neutrino selbst”, erläutert DESY-Forscher Timo Karg, Projektleiter für die optischen Sensoren im IceCube-Upgrade. “Wir haben bereits zehn Jahre Daten mit IceCube gesammelt, und die werden durch das Upgrade erheblich aufgewertet.“ Bei DESY werden 225 der neuen Sensoren gebaut, 205 steuert die Michigan State University bei und rund 300 eines anderen Typs liefert die Universität Chiba in Japan.

Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Elementarteilchen. Sie wechselwirken kaum und können mühelos ganze Planeten, Sterne und Galaxien durchqueren – sie werden daher auch als Geisterteilchen bezeichnet. Das Neutrino-Observatorium IceCube späht tief im antarktischen Eis nach den scheuen Elementarteilchen. Unter der Oberfläche lauert es auf das bläuliche Leuchten, das energiereiche Neutrinos aus dem Weltall bei ihren sehr seltenen Kollisionen im Eis auslösen können. Dazu dienen extrem lichtempfindliche „Digital Optical Modules“ (DOM), die an 86 Kabelsträngen bis zu 2,5 Kilometer tief im durchsichtigen Eis liegen. Aus der genauen Vermessung der Leuchtspur einer Neutrinokollision lassen sich Herkunftsrichtung und Energie des Teilchens rekonstruieren. Da Neutrinos so extrem selten wechselwirken, überwacht IceCube einen kompletten Kubikkilometer unterirdisches Eis und ist damit der größte Neutrinodetektor der Welt.

Für das IceCube-Upgrade sollen im antarktischen Sommer 2022/23 im Zentrum des Detektors sieben zusätzliche Kabelstränge mit den neu entwickelten Sensoren mehr als 1,5 Kilometer tief ins Eis eingeschmolzen werden. Dabei kommen zwei Typen optischer Module zum Einsatz, die auch für eine zehnfach größere zukünftige Erweiterung von IceCube, IceCube-Gen2, getestet werden. Ein Typ dieser neuen optischen Sensoren, das „multi-Pixel Digital Optical Module“ (mDOM), wurde in Deutschland von den beteiligten Universitäten und Helmholtz-Zentren entwickelt. Gegenüber den bisherigen Modulen besitzen die mDOMs, von denen rund 400 installiert werden, eine deutlich größere sowie segmentierte Detektionsfläche und damit eine signifikant höhere Empfindlichkeit.

“Mit dem IceCube-Upgrade und dem späteren Ausbau zu IceCube-Gen2 erweitert dieses weltweit einzigartige Neutrino-Observatorium unseren Blick ins All an entscheidender Stelle und trägt dadurch bei, die Rätsel um die Physik der höchstenergetischsten Prozesse in unserem Universum zu lösen”, sagt der Leiter der KIT-IceCube-Gruppe, Andreas Haungs.

Durch die Erweiterung steigt jedoch nicht nur die Empfindlichkeit des Observatoriums, es sinkt auch die Energieschwelle, ab der sich Neutrinos nachweisen lassen. Damit können die Eigenschaften der Teilchen mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen werden – IceCube wird auch zum Neutrino-Labor. “Neutrinos sind die am wenigsten verstandenen Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik,” betont Alexander Kappes, Professor an der Universität Münster und Leiter des mDOM-Projekts. “Sie haben Eigenschaften, die das Standardmodell nicht erklären kann.”

Neutrinos gibt es in drei Sorten. Überraschenderweise können die Teilchen zwischen diesen Sorten hin und her wechseln. Physiker nennen das Neutrino-Oszillationen. Eins der Ziele des IceCube-Upgrades ist es, die Parameter dieser Oszillationen deutlich besser zu bestimmen. Ein weiteres Ziel ist, die optischen Eigenschaften des Eises genauer zu vermessen, was eine bessere Rekonstruktion der Eigenschaften beobachteter Neutrinos in allen Energiebereichen erlaubt. Das schärft nicht nur künftig den Blick des Neutrinoobservatoriums ins All, sondern ermöglicht auch, die bereits registrierten Neutrinoereignisse nachträglich genauer zu rekonstruieren.

Beobachtungen mit IceCube und einer großen Zahl anderer, über den ganzen Globus verteilter Observatorien hatten im vergangenen Jahr zur ersten Ortung einer kosmischen Quelle energiereicher Neutrinos geführt. Die von IceCube nachgewiesenen Teilchen kamen demnach aus einer rund vier Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie, in deren Zentrum ein gigantisches Schwarzes Loch als natürlicher Teilchenbeschleuniger fungiert.

Das IceCube-Neutrinoobservatorium befindet sich an der Amundsen-Scott-Südpolstation. Das Management und der Betrieb des Observatoriums erfolgt durch das Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) an der University of Wisconsin–Madison. Das Wissenschaftsprogramm wird von mehr als 300 Forscherinnen und Forschern aus 52 Instituten in 12 Ländern bestritten. Nach den USA ist Deutschland der wichtigste Partner in dem internationalen Projekt. Hier sind neben den Helmholtz-Zentren DESY und KIT die Universitäten Bochum, Erlangen-Nürnberg, Mainz, Münster und Wuppertal sowie die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, die Humboldt-Universität zu Berlin und die Technischen Universitäten Dortmund und München beteiligt.

Deutsche Universitätsgruppen arbeiten auch an der Entwicklung von optischen (TU München, Uni Wuppertal) und akustischen (RWTH Aachen) Geräten zur präzisen Eichung des Detektors, Simulations- und Kalibrierungsmethoden (TU Dortmund, Uni Bochum), sowie der Entwicklung von neuartigen Sensorkonzepten (Uni Mainz) für IceCube-Gen2 mit. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das die Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft zu 90 Prozent finanziert, unterstützt die deutschen Beiträge zu IceCube darüber hinaus aus Mitteln der Verbundforschung für die beteiligten Universitäten.