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Aus Amanda wird IceCube

Das tief im Eis des Südpols installierte Neutrinoteleskop Amanda wird bis 2010 um das 30fache vergrößert. Die erste Himmelskarte hat der Detektor bereits geliefert.

Zeuthen ist eine ruhige Villenkolonie südlich von Berlin. Ein unscheinbares Schild an der Hauptstraße weist auf das DESY-Institut hin. In den Gebäuden, die über ein Grundstück mit Zugang zum Zeuthener See verteilt sind, befindet sich die deutsche Schaltstelle für ein wissenschaftliches Großprojekt namens IceCube.

Mitte der neunziger Jahre installierte ein multinationales Wissenschaftler-Team unter Beteiligung des DESY Zeuthen und der deutschen Universitäten Mainz und Wuppertal ein Neutrinoteleskop tief im Eis der Antarktis. Das Gerät, genannt „Amanda“ (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array), soll hochenergetische Neutrinos aus dem tiefen Weltraum anzeigen. Erste Ergebnisse hat es bereits geliefert. Im Laufe der nächsten Jahre wird die Vorrichtung um das 30fache vergrößert. Die ersten Werkzeuge für den Ausbau zum Superteleskop IceCube wurden im Januar bereits in die Antarktis gebracht.

Die Forscher erhoffen sich mit dem Neutrinoteleskop Aufschlüsse über den Ursprung der kosmischen Strahlung. Sie wollen Schwarze Löcher beobachten, junge und sterbende Sterne, Supernovae und Quasare. Auch bei der Suche nach den Teilchen, aus denen die „Dunkle Materie“ besteht, soll IceCube helfen.

Im Keller des Hauptgebäudes beendet Marek Kowalski soeben die Führung einer Besuchergruppe. Der Doktorand ist einer von 15 Forschern bei DESY, die am IceCube-Projekt mitarbeiten. Er erläutert die Funktion der Herzstücke des Neutrinoteleskops, die hier im Untergeschoss lagern: Kugeln, etwa so groß wie Medizinbälle, deren Hülle aus einem Zentimeter dicken Glas besteht. Im Inneren liegt der Sensor in einem durchsichtigen Gel. Er kann noch extrem schwaches Licht messen.

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Diese Detektoren werden bald ins Antarktis-Eis versenkt. Ein Bohrer, dessen erste Einzelteile im Januar in die Antarktis geflogen worden sind, wird mit Hilfe von heißem Wasser Schächte in den Eispanzer über dem geographischen Südpol schmelzen – bis zu drei Kilometer tief. An Drahtseilen befestigt, sollen danach die Photosensoren, auch Photomultiplier genannt, hinuntergelassen werden. Diese „Perlenketten“ bilden das Grundgerüst des Teleskops. Sie frieren binnen weniger Stunden fest, wobei der Außendruck, der auf den Glaskugeln lastet, bis auf über 300 Bar steigen kann. „Wie ein Zylinder aus klarem Eis“, beschreibt Marek Kowalski den Aufbau des Neutrinoteleskops, „der von einem Gitter aus Sensoren durchsetzt ist.“ Zurzeit verfügt die Konstruktion über 675 dieser Photomultiplier, hat eine Tiefe von rund 500 Metern unter dem Eis erreicht und besitzt einen Durchmesser von 200 Metern.

Neutrinos sind unscheinbare Elementarteilchen fast ohne Masse. Ihre Besonderheit: Sie können nicht aufgehalten werden, nicht einmal von der dichtesten Materie. Daher, so glauben die Forscher, eignen sie sich zur Beobachtung von Objekten, die sehr weit entfernt sind – oder die von anderen Objekten verdeckt werden, so dass von ihnen weder Licht noch Röntgenstrahlung zur Erde dringt.

Nur extrem selten wechselwirken Neutrinos mit anderen Teilchen. Doch Erfahrungen haben gezeigt, dass Wasser ein guter Indikator für Neutrinos ist. Denn bei der Reaktion eines Neutrinos mit einem Atomkern entsteht ein Myon, das in Wasser – oder Eis – so genannte Cherenkov-Strahlung aussendet. Die Elektronik in den Glaskugeln zeichnet den Lichtkegel und damit die Bahn des Myons auf. Aus den Sensordaten, die an die Messstation an der Oberfläche gesandt werden, lässt sich die Bahn des Verursacher-Neutrinos berechnen.

Der Südpol-Detektor hat nicht etwa den Himmel über der Antarktis im Visier, sondern beobachtet den Nordhimmel – durch die Erde hindurch. Mit dieser Ausrichtung wird die Zahl von aufgezeichneten Myonen verringert, die sich ins Südpoleis verirrt haben. Während Neutrinos die gesamte Erde fast ohne Effekt durchschlagen, bleiben Myonen nach wenigen Kilometern stecken.

Zurzeit weist Amanda drei Neutrinos pro Tag nach. Allerdings sind die Ergebnisse ernüchternd: Die erste Neutrino-Himmelskarte sieht aus wie ein zufällig mit Punkten besprenkeltes Stück Papier. Ob die bisher rund 700 nachgewiesenen Teilchen aus den Weiten des Weltraums stammen, von der Sonne oder aus der Erdatmosphäre, ist unklar. Christian Spiering, Projektleiter am DESY Zeuthen, winkt ab: „Erst wenn wir signifikante Anhäufungen beobachten, werden wir über die Neutrinoquellen etwas sagen können.“

Zwar hat es nahe der Richtung des Sternbilds Cygnus (Schwan) tatsächlich eine Anhäufung von Neutrinos gegeben, doch der Astrophysiker bleibt vorsichtig: „Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich hier um eine kosmische Quelle handelt, liegt im Prozentbereich.“ Dennoch legt der Forscher seine Hoffnungen in die Region um jenes in klaren Sommernächten gut sichtbare Sternbild. „In diesem Gebiet ist die Entstehungsrate von Sternen besonders hoch.“

Nun setzen die Wissenschaftler auf IceCube. „Mit einem größeren Teleskop“, so Spiering, „wird natürlich auch die Zahl der nachgewiesenen Neutrinos steigen.“ IceCube, das im Jahr 2010 fertig gestellt sein soll, wird gigantische Ausmaße haben: ein Eiswürfel mit einer Kantenlänge von einem Kilometer, der 5000 sensible Glaskugeln enthält. Die Kosten für den Detektor betragen rund 50 Millionen Euro, die zum Großteil von der amerikanischen National Science Foundation übernommen werden. Die europäischen Partner – Belgier, Schweden, Deutsche – tragen den weitaus geringeren Anteil von etwa zehn Millionen Euro.

In der Neutrinoastronomie ist DESY Zeuthen wegweisend. Am einstigen Institut für Hochenergiephysik wurde bereits zu DDR-Zeiten experimentelle Teilchenphysik betrieben. Die Forscher hatten Zugang zu den Teilchenbeschleunigern am CERN in Genf und Kontakt zum DESY nach Hamburg. Nach der Wende wurde das Institut mit DESY verschmolzen. Mitte der neunziger Jahre konnte DESY Zeuthen mit dem ersten unterseeischen Detektor der Welt NT 200 Neutrinos nachweisen. Die Vorrichtung befindet sich in 1000 Meter Tiefe auf dem Grund des Baikalsees in Sibirien. Sie ist bis heute in Betrieb.

NT 200 war der Startschuss für einen internationalen Wettlauf um den Nachweis der ersten kosmischen Neutrinoquelle. Nach Amanda soll das Projekt Antares mit französischen, italienischen und britischen Partnern im nächsten Jahr starten. Das Teleskop wird zunächst mit rund 1000 Photomultipliern in zwei Kilometer Wassertiefe vor der französischen Mittelmeerküste Daten aufzeichnen. Allerdings müssen die Forscher hier mit Beeinträchtigungen durch Wellengang oder Störlicht durch Lebewesen rechnen.

Der Anlage im Eis der Antarktis können Wetterkapriolen dagegen wenig anhaben, und leuchtende Lebewesen gibt es im Tiefeis auch nicht. Die Handikaps der Forscher sind hier der abgelegene Standort und die menschenfeindliche Umgebung. 50 Wissenschaftler arbeiten ständig in der Amundsen-Scott-Forschungsstation am geographischen Südpol. Im antarktischen Winter wird es hier bis zu minus 70 Grad Celsius kalt, im Sommer steigen die Temperaturen auf höchstens minus 25 Grad. Magnetbänder zeichnet die Messdaten vor Ort auf und ein Satellit übermittelt sie in datenreduzierter Form auf die Nordhemisphäre. Forscher, die in jedem antarktischen Sommer zum Pol fliegen, bringen die Kassetten zurück in ihre Heimatlabors.

Die Neutrinoastronomie ist ein sehr junges Forschungsgebiet. Zwar hat es für den Nachweis von niederenergetischen Neutrinos aus dem Weltraum schon Nobelpreise gegeben. Doch erst wenn die kosmischen Neutrinoquellen nachgewiesen sind, wird sich abschätzen lassen, was Teleskope wie Antares oder IceCube zu leisten vermögen. Vor Skeptikern zitiert Christian Spiering gerne seinen amerikanischen Kollegen Francis Halzen: „Nichts ist garantiert, aber die Geschichte ist auf unserer Seite.“

Wo Sie noch mehr Informationen bekommen:

· DESY betreibt Grundlagen- forschung im Bereich der Elementarteilchenphysik und unterhält neun Anlagen zur Teilchenbeschleunigung: www.DESY.de. Neutrinoforschung in Zeuthen: www.ifh.de/nuastro/

· IceCube Homepage: icecube.wisc.edu/

· Amanda Homepage: amanda.uci.edu/

· Quasare Die ultrahellen Zentren jugendlicher Urgalaxien. Siehe bild der wissenschaft 10/2001, „Ordnung im extragalaktischen Zoo“.

· Neutrinos Siehe bild der wissenschaft 7/2003, „Swinging Neutrinos“.

· Cherenkov-Strahlung Sie entsteht, wenn geladene Teilchen, hier Myonen, sich durch ein Medium bewegen, in dem sie schneller sind als das Licht. Der russische Physiker Pawel Alexejewitsch Cherenkov entdeckte diesen Effekt 1934. Den Physik-Nobelpreis dafür erhielt er erst 24 Jahre später.

· Antares „Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research“ heißt das vor der französischen Mittelmeerküste geplante Neutrinoteleskop mit vollständigem Namen. Internet: antares. in2p3.fr

· Baikalsee Siehe bild der wissenschaft 2/2002, „Himmelsboten im Baikalsee“.

· National Science Foundation Größte US-amerikanische Forschungsgesellschaft: www.nsf.gov

· CERN Im „Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“ mit Sitz in Genf forschen rund 5000 Gastwissenschaftler aus mehr als 70 Ländern: www.cern.ch

Mirko Heinemann

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