Am Südpol wird es nie richtig still: Tief im antarktischen Eis registriert das IceCube-Neutrino-Observatorium winzige Lichtblitze, die entstehen können, wenn Neutrinos mit Materie wechselwirken. Für seine Arbeit als Planer und Chefwissenschaftler des Projekts wurde der Physik-Nobelpreisträger Francis Halzen ausgezeichnet. Auch die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat daran ihren Anteil.

Seit den Anfängen ist die FAU an IceCube beteiligt. Rund 450 Fachleute aus 58 Instituten in 14 Ländern arbeiten an dem Observatorium, etwa ein Viertel von ihnen kommt aus Deutschland. Für das Instrument werden kilometertiefe Löcher in das Eis gebohrt, in denen anschließend Messbojen versenkt werden. Ein ziemlich unwirtlicher Arbeitsplatz – und doch einer, der den Blick weit hinaus ins Universum öffnet.

Teilchenspuren aus dem Eis

Neutrinos entstehen bei verschiedenen Kernreaktionen im Universum. Sie sind nahezu masselos, elektrisch ungeladen und wechselwirken nur selten mit Materie. Gerade deshalb können sie aus weit entfernten Regionen zu uns gelangen. Trifft eines der Teilchen im Eis auf Materie, kann ein kurzer Lichtblitz entstehen. Seine Messung liefert Hinweise darauf, woher das Neutrino kam und welche Vorgänge sich in entfernten Bereichen des Universums abspielen.

Die FAU entwickelt Methoden zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Analyse von Neutrinoflüssen. Außerdem beteiligt sich die Universität an der Kalibrierung des Systems und entwickelte Detektorkomponenten für das kürzlich installierte „IceCube-Upgrade“. Die Erlanger Arbeitsgruppe untersucht derzeit unter anderem hochenergetische Neutrinos aus der Milchstraße und kalibriert die optischen Eigenschaften des Gletschereises. Das klingt nach Laborarbeit, nur dass das „Labor“ mehrere Kilometer Eis dick ist.

IceCube ist ein Neutrinoteleskop mit nahezu ununterbrochenem Blick auf fast den gesamten Himmel. Es kann Neutrinos in einem Energiebereich von GeV bis zu Hunderten TeV und darüber detektieren. Kosmische Neutrinos wurden dabei mit Energien von annähernd 10 PeV beobachtet. Auch für Neutrinos im MeV-Bereich ist das Instrument empfindlich – sofern sie in einem kurzen Ausbruch entstehen, etwa bei einer Supernovaexplosion in der Milchstraße.

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Ein Netzwerk über den Südpol hinaus

Die Erlanger Forschenden arbeiten nicht nur an IceCube. Weitere internationale Neutrinoexperimente, an denen die FAU beteiligt ist, stehen im Mittelmeer, in Grönland und vor der Küste Kanadas: KM3NeT, RNO-G und P-ONE. Die Standorte könnten kaum unterschiedlicher sein, die Frage dahinter ist dieselbe: Was verraten diese schwer greifbaren Teilchen über die gewaltigsten Vorgänge im All?

Claudio Kopper, Inhaber des FAU-Lehrstuhls für Experimentelle Astroteilchenphysik, arbeitete von 2011 bis 2014 an der University of Wisconsin-Madison eng mit Halzen zusammen. Dort war Kopper maßgeblich an der Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos beteiligt. Er erklärte, die Auszeichnung würdige die Arbeit des IceCube-Experiments und der Neutrinoastronomie insgesamt. Zugleich hoffe er auf Fortschritte durch weitere Daten und neue Experimente.

Solche Daten können auch ziemlich schnell auf dem Schirm landen. Echtzeitwarnungen werden durch verschiedene Neutrino-Signaturen ausgelöst, wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen astrophysikalischen Ursprung besteht. Die Hinweise zeigen interessante Himmelsregionen an und informieren die internationale Forschungsgemeinschaft über mögliche beobachtbare kosmische Ereignisse. Dann heißt es für andere Teleskope: möglichst rasch dorthin schauen.

Für die FAU in Erlangen bedeutet das Nobelpreisgeschehen deshalb nicht bloß einen Glanzpunkt in der Ferne. Hinter dem Namen Halzen stehen viele Jahre gemeinsamer Arbeit, Software, Kalibrierungen, Detektortechnik – und Lichtblitze, die im Eis nur einen Wimpernschlag lang aufleuchten.