Für die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist dieser 21. Oktober 2026 ein großer Tag: Der Physik-Nobelpreis geht in diesem Jahr an den belgisch-amerikanischen Forscher Francis Halzen. Ausgezeichnet wird er für seine maßgebliche Rolle bei der Erforschung und beim Nachweis kosmischer Neutrinos im antarktischen Eis. Professor Claudio Kopper von der FAU war selbst in der Antarktis im Einsatz und arbeitet mit seinem Team an einer wichtigen Aufgabe des Projekts.

Halzen stellte 1988 erstmals seine Idee für das Forschungsprojekt „IceCube“ vor. Tausende Lichtsensoren sollten tief im Südpolareis ein unsichtbares Teilchengeschehen sichtbar machen. Über Jahrzehnte trieb er das Konzept voran – vom Vorläuferexperiment AMANDA bis zum Bau und Betrieb des IceCube-Observatoriums. Heute arbeiten Wissenschaftler aus zahlreichen Ländern an der Forschungsstation am Südpol. Das Ziel: Neutrinos aufzuspüren und herauszufinden, woher sie kommen.

Ein Teleskop aus Eis

Neutrinos sind extrem leichte, elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse. Sie wechselwirken nur über die schwache Kernkraft und die Gravitation und durchdringen deshalb nahezu ungehindert Materie. Milliarden dieser Teilchen fliegen ständig durch die Erde und durch menschliche Körper, ohne dass wir davon etwas merken. Schon 1930 legte Wolfgang Pauli die theoretische Grundlage für ihre Existenz.

Gerade ihre Teilnahmslosigkeit macht die Teilchen wissenschaftlich so wertvoll. Kosmische Strahlung besteht vor allem aus Protonen und Atomkernen, die in astrophysikalischen Beschleunigern enorme Energien erreichen. Ihre Flugrichtung lässt sich wegen der Ablenkung durch Magnetfelder jedoch nicht direkt auf eine Quelle zurückführen. Neutrinos bewegen sich nach ihrer Entstehung dagegen nahezu geradlinig und können dichte Quellregionen verlassen, aus denen andere Strahlung nicht entkommt.

In solchen Quellen kollidieren energiereiche Protonen oder Atomkerne mit Gas oder intensiven Strahlungsfeldern. Dabei entstehen unter anderem Pionen: Neutrale Pionen zerfallen in Gammastrahlung, geladene Pionen in Myonen und Neutrinos. Die Myonen zerfallen anschließend ebenfalls und senden weitere Neutrinos aus. Hochenergetische Neutrinos liefern damit Hinweise auf Prozesse, bei denen Protonen mit extremen Energien unterwegs sind.

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Das IceCube-Observatorium nutzt dafür ein Eisvolumen von etwa einem Kubikkilometer an der Amundsen-Scott-Südpolstation. Rund 5.000 Sensoren tief im antarktischen Eis registrieren winzige Lichtsignale; insgesamt verfügt IceCube über 86 Kabelstränge mit 5160 Sensoren. Wegen der seltenen Wechselwirkungen braucht ein Neutrinodetektor so viel Materie wie möglich – und mehr Eis ist am Südpol nun wirklich schwer zu bestellen.

IceCube misst Neutrinos nicht direkt. Trifft ein Neutrino im Eis auf einen Atomkern, entstehen schnelle Elektronen, Myonen oder Tauonen. Diese können sich im Eis schneller bewegen als Licht in diesem Medium und erzeugen Tscherenkow-Licht, eine Art optischen Überschallknall. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wird dabei nicht überschritten.

Mehr als 5000 optische Module messen, wann und wie intensiv das Licht an verschiedenen Stellen eintrifft. Sie erfassen, verstärken, digitalisieren und übertragen die Lichtspuren zur Südpolstation. Aus den Ankunftszeiten lassen sich Energie, Richtung und weitere Eigenschaften des Ereignisses rekonstruieren. Myonen erzeugen lange Spuren, aus denen die Flugrichtung relativ präzise hervorgeht. Andere Wechselwirkungen bilden kompakte Teilchenschauer: Die Energie lässt sich dann oft genauer bestimmen, die Richtung allerdings weniger präzise.

Vom ersten Signal bis zur Milchstraße

Eine zentrale Schwierigkeit bleibt die Trennung kosmischer Neutrinos von atmosphärischen Hintergrundereignissen. Kosmische Strahlung erzeugt in der Erdatmosphäre ebenfalls Myonen und Neutrinos. 2013 meldete die IceCube-Kollaboration dennoch erste Neutrinos mit Energien von etwa einem Petaelektronenvolt, also 1015 Elektronenvolt. Spätere Analysen zeigten, dass diese hochenergetischen Ereignisse nicht vollständig durch atmosphärische Prozesse erklärt werden konnten.

Im Juni 2013 veröffentlichte die Kollaboration erste Hinweise auf einen extragalaktischen Neutrinofluss. Zwei Ereignisse reichten damals noch nicht für eine statistisch signifikante Aussage. Die im November 2013 in „Science“ publizierte Folgemessung gilt als Nachweis kosmischer Neutrinos. „Physics World“ zeichnete den Erfolg als „Breakthrough of the Year 2013“ aus.

In den Daten von Mai 2010 bis Mai 2012 fanden sich 28 Ereignisse mit Energien zwischen 30 und 1200 TeV. Die energiereichsten hießen „Bert“ mit 1000 TeV, „Ernie“ mit 1100 TeV und „Big Bird“ mit 2200 TeV am 4. Dezember 2012. Am 11. Juni 2014 wurde ein Neutrino mit 2600 TeV nachgewiesen. 2021 folgte eines mit 6300 TeV.

Der Nachweis eines kosmischen Neutrinostroms identifiziert allerdings noch keine konkrete Quelle einzelner Neutrinos. 2016 wurde der Blazarausbruch in der Galaxie PKS B 1424-418 als wahrscheinliche Quelle von „Big Bird“ bestimmt. Der Ausbruch begann im Sommer 2012 und dauerte fast ein Jahr.

2018 konnte IceCube gemeinsam mit anderen Teleskopen erstmals die Herkunft eines hochenergetischen Neutrinos bestimmen. Das 290-TeV-Neutrino wurde wahrscheinlich dem 4,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Blazar TXS 0506+056 zugeordnet. Der aktive Galaxienkern ist vermutlich auch eine Quelle hochenergetischer Protonen. Nach einem IceCube-Ereignis im September 2017 hatten Folgebeobachtungen stark auf TXS 0506+056 hingedeutet: Das Neutrino gab die Richtung vor, andere Teleskope untersuchten die Strahlung aus dieser Region.

Ein am 1. Oktober 2019 registriertes Neutrino wurde einem Tidal Disruption Event zugeordnet. Beobachtet worden war dieses Ereignis im April 2019 am Palomar-Observatorium, in einer etwa 700 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie.

Auch die Milchstraße ist ins Blickfeld gerückt. IceCube konnte eine diffuse Neutrinoemission aus unserer Galaxie nachweisen, indem zahlreiche Ereignisse statistisch zusammengeführt wurden. Als wichtiger Entstehungsprozess gilt die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit interstellarem Gas. Die Milchstraßenkarte zeigt deshalb keine einzelnen leuchtenden Objekte; eindeutig identifizierte galaktische Punktquellen gibt es bislang nicht.

Der Tiefseedetektor KM3NeT im Mittelmeer registrierte außerdem ein auf etwa 220 Petaelektronenvolt geschätztes Rekordereignis. Für seine Herkunft gibt es verschiedene Erklärungsversuche. Die Vermutung, es könne von einem explodierten Schwarzen Loch stammen, ist bislang nicht belegt; ein entsprechendes Objekt oder Hawking-Strahlung wurde nicht nachgewiesen. Welche Energiebereiche erreichbar sind, hängt von der jeweiligen Detektormethode ab.

FAU, AMANDA und der Ausbau am Südpol

Das Detektionsprinzip wurde bereits im Vorgängerprojekt AMANDA eingesetzt, das ab 1997 Daten sammelte und am 11. Mai 2009 planmäßig abgeschaltet wurde. Nach den Erfolgen von AMANDA wurden die Mittel für IceCube bewilligt. Nach knapp sechs Jahren Bauzeit und rund zehn Jahren Vorbereitung war IceCube am 18. Dezember 2010 fertiggestellt. Erste wissenschaftliche Ergebnisse entstanden schon während der Bauphase im gemeinsamen Betrieb mit AMANDA; 677 AMANDA-Module werden bei einigen IceCube-Analysen weiterhin genutzt.

Wissenschaftlicher Leiter ist Francis Halzen. Als Principal Investigator verfügt er über ein unabhängiges Budget. Kopper bezeichnet seinen Nobelpreis als folgerichtig, weil Halzen das Projekt maßgeblich vorangetrieben habe. Der Erfolg beruht aber auch auf der langjährigen Zusammenarbeit der beteiligten Forschungseinrichtungen.

Das rund 270 Millionen US-Dollar teure Instrument wurde überwiegend von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanziert. Universitäten und Institute aus Schweden, Belgien, Deutschland, Großbritannien, Japan und den Niederlanden beteiligten sich ebenfalls. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützten den Bau. Das IceCube-Team umfasst etwa 300 Wissenschaftler aus 48 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern; beteiligt sind außerdem