Ein riesiges Observatorium unter dem antarktischen Eis: Mit dieser verrückten Idee weist Francis Halzen Neutrinos nach – „Geisterteilchen“ aus dem All. Dafür wird er mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.
„Das sollte ich eigentlich gar nicht sagen, aber kein respektabler, konservativer Physiker hätte sich mir am Anfang angeschlossen.“ Francis Halzen ist sich selbst beim Telefon-Interview während der Bekanntgabe seines Nobelpreises bewusst, wie verrückt seine Idee 1988 klang: Ein riesiges Observatorium, ein Würfel mit etwa einem Kilometer Kantenlänge, mehr als ein Kilometer unter dem antarktischen Eis.
Dankbar sei er aber vor allem den vielen talentierten Leuten, die an diese Idee glaubten, und sie Wirklichkeit werden ließen: 2013 detektiert das „IceCube“ getaufte Observatorium in der Antarktis die ersten 28 hochenergetischen Neutrinos kosmischen Ursprungs.
Neutrinos – schwer messbar
„Neutrinos sind unter den fundamentalen Elementarteilchen, soweit wir heute wissen, die leichtesten“, sagt Prof. Kathrin Valerius, stellvertretende Leiterin des Instituts für Astroteilchenphysik am Karlsruher Institut für Physik KIT. Sie forscht selbst an Neutrinos – die „geisterhaften Boten aus dem Weltraum“ -, die kaum mit anderer Materie in Wechselwirkung treten. Das bedeutet: Ein Neutrinostrahl kann die gesamte Erde durchqueren und dabei nur leicht geschwächt werden.
Deswegen sind sie auch nur sehr schwer nachweisbar, denn dafür müssen sie mit einem Detektor in Wechselwirkung treten. Die beste Chance, ein Neutrino zu beobachten, hat man, wenn sehr viele Neutrinos einen sehr großen Detektor durchqueren. Die erste Beobachtung gelang deshalb 1956 an einem der ersten großen Kernreaktoren, der von Natur aus sehr viele Neutrinos produziert.
Spuren großer kosmischer Ereignisse
Weitere Entdeckungen bezüglich Neutrinos der folgenden Jahrzehnte wurden regelmäßig mit Nobelpreisen ausgezeichnet, etwa 1988 für Hans Jakob Steinberger, Melvin Schwartz und Leon Max Lederman für den Nachweis von Hochenergie-Neutrinos.
Solche hochenergetischen Neutrinos entstehen auch im Inneren der Sonne und anderen astronomischen Phänomenen wie Supernovae, also sterbenden Sternen, die enorme Mengen an Energie freisetzen, oder schwarzen Löchern.
Im Gegensatz zu anderen Strahlen solcher Phänomene werden Neutrinos weder durch Materie noch durch Magnetfelder abgelenkt. Das bedeutet, kann ein Neutrinostrahl zurückverfolgt werden, dann zeigt dieser direkt zu seinem kosmologischen Ursprung zurück.
Warum Neutrinos perfekte Boten aus dem All sind
Hier kommt Halzens Idee ins Spiel: Das antarktische Eis biete genug Masse, um selbst so weit von ihrem Ursprung entfernte Neutrinos noch nachweisen zu können, postulierte er. Zunächst wurden in einem Vorgängerprojekt von IceCube, AMANDA, sogenannte Photoelektronenvervielfacher im Eis versenkt. Diese Module können kleinste Lichtblitze detektieren, wie sie entstehen, wenn Neutrinos mit dem Eis interagieren.
Aufgrund des Erfolges von AMANDA wurde IceCube genehmigt und Ende 2010 fertiggestellt, mit einem Kubikkilometer Volumen etwa 50-mal größer als sein Vorgängerprojekt. Trotz dieser enormen Größe wird im Schnitt nur etwa ein Neutrino pro Tag detektiert.
IceCubes Spezialität ist die Detektion von Neutrinos mit besonders hoher Energie, wie sie beispielsweise aus besonders aktiven Galaxiezentren, sogenannte Blazare, ausgestoßen werden. Diese können eine Million bis eine Milliarde Mal energiereicher sein als Neutrinos, die von der Sonne ausgestoßen werden.
Deutschland wichtiger Partner bei Neutrino-Jagd
IceCube ist ein internationales Projekt. Nach den USA ist Deutschland der zweitgrößte Geldgeber und spielt auch wissenschaftlich eine zentrale Rolle. Neben dem Forschungszentrum DESY in Zeuthen sind mehrere deutsche Universitäten beteiligt, darunter Wuppertal, Berlin, Aachen und das KIT in Karlsruhe.
Deutsche Gruppen entwickeln und testen einen großen Teil der hochempfindlichen Lichtsensoren. So tragen sie entscheidend dazu bei, dass IceCube Neutrinos überhaupt sicher erkennen und auswerten kann.
Blick auf verborgene kosmische Phänomene
Francis Halzen wird für seine Beiträge zu IceCube und die damit einhergehende Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs ausgezeichnet. Dieses Instrument der astronomischen Grundlagenforschung könnte bisher unbekannte kosmische Phänomene aufdecken, so das Nobelkomitee in seiner Begründung.
So sieht das auch Kathrin Valerius vom KIT: „Das sind Teilchen, die uns einen Blick in ferne Welten eröffnen, auf Bereiche, die wir sonst nicht so einfach beobachten können und die uns fundamentale Neuerkenntnisse versprechen – ein Feld, das seit vielen Jahrzehnten darauf hinarbeitet, solche bahnbrechenden Entdeckungen zu machen.“
Die Auszeichnung Halzens mit dem Nobelpreis für Physik ist in Valerius‘ Augen vollkommen gerechtfertigt: „Er ist ein fantastischer Botschafter für dieses Feld und verdient diese Auszeichnung voll und ganz.“
Halzen selbst bleibt demütig und dankt bei der Bekanntgabe vor allem denjenigen, die seine verrückte Idee ernst genug genommen haben: „Ich hoffe, dass die Auszeichnung der Bedeutung unserer Zusammenarbeit gerecht wird, vor allem einigen sehr wichtigen Personen, die entscheidende Beiträge zu diesem Projekt geleistet haben.“
Francis Louis Halzen wurde am 23. März 1944 in Tienen in Belgien geboren. Nach seiner Doktorarbeit an der KU Leuven wechselte er 1971 an die University of Wisconsin. Dort ist er heute Direktor des Instituts für Elementarteilchenphysik und außerdem leitender Wissenschaftler des IceCube-Projekts.
