Kosmischer Neutrinodetektor

Hunderte neue Sensoren im Eis der Antarktis versenkt

Seit 2009 nutzen Forschende das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol, um nach Quellen kosmischer Strahlung zu suchen. Während des antarktischen Sommers hat das Team nun die günstigen Bedingungen genutzt, um ein wichtiges Upgrade zu installieren. 51 Wissenschaftler*innen und Techniker*innen haben 670 Sensoren und Kalibrierungsgeräte im Eis der Antarktis vergraben. Diese neuen Komponenten werden die Leistung des Detektors bei niedrigeren Neutrinoenergien deutlich steigern. Physiker*innen der TU Dortmund und der Ruhr-Universität Bochum waren am IceCube-Upgrade beteiligt, zwei TU-Forschende waren sogar mit vor Ort.

Das aktuelle Upgrade ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu IceCube-Gen2, der geplanten zweiten Ausbaustufe des Detektors. Es soll die Empfindlichkeit deutlich erhöhen und neue wissenschaftliche Möglichkeiten eröffnen. Forschende der TU Dortmund arbeiten im IceCube-Konsortium eng mit Partner*innen der Ruhr-Universität Bochum zusammen; beide Universitäten bewerben sich derzeit gemeinsam als Ruhr Innovation Lab im Rahmen der Exzellenzstrategie. Insgesamt sind neun deutsche Universitäten sowie die beiden Forschungsinstitute KIT und DESY Mitglieder des Konsortiums.

Hunderte von Glaskugeln 2.600 Meter tief im Eis vergraben

Die deutschen Partner haben gemeinsam an der Entwicklung, Erprobung und dem Einsatz der neuen Sensortechnologie mitgewirkt. Eine druckfeste Glaskugel, ein sogenanntes „multi-PMT digital optical module” (mDOM), enthält mehrere Fotosensoren, die „multiple photomultiplier tubes” (PMTs) genannt werden. Diese PMTs wiederum registrieren die schwachen Lichtblitze, die entstehen, wenn Neutrinos gelegentlich mit Materie im Eis interagieren. Die neuen Glaskugeln wurden wie Perlen auf einer Schnur aneinandergereiht: Lange Kabel mit jeweils mehr als 100 solcher Module wurden dann in einzelne Bohrlöcher bis zu einer Tiefe von 2.600 Metern versenkt. Dort unten dient das Eis sowohl als Ziel als auch als Detektionsmedium für die geisterhaften kosmischen Teilchen. Neben den neuen optischen Modulen umfasste das Upgrade auch neue Kalibriergeräte und Kameras. Diese Instrumente liefern kontrollierte Referenzmessungen und ermöglichen eine Überwachung vor Ort. Dadurch können die optischen Eigenschaften des Eises und die Reaktion des Detektors unter realen Betriebsbedingungen genauer charakterisiert werden.

Ein mDOM wird in ein Bohrloch abgesenkt.

© Yuya Makino, IceCube/NSF

Im Rahmen der Doktorarbeit von Johannes Werthebach wurden an der TU Dortmund rund 5.000 PMTs getestet und kalibriert, bevor sie zur Integration und Montage in komplette mDOMs weitergeleitet wurden. Forschende der Ruhr-Universität Bochum trugen mit einem neuen Kamerasystem zur Verbesserung der Eis-Charakterisierung bei. Johannes Werthebach und Dr. Alicia Fattorini aus der Physik der TU Dortmund nahmen an der Installation am Südpol teil. Werthebach arbeitete vor allem am Upgrade und unterstützte kritische Installationsschritte wie das Einfrieren der Glasmodule in den Bohrlöchern. Fattorini arbeitete ein ganzes Jahr lang auf der Forschungsstation am Südpol mit und trug dazu bei, den kontinuierlichen ganzjährigen Betrieb unter extremen Bedingungen zu ermöglichen.

Die neu installierten Kalibrierungsgeräte und Kamerasysteme sollen systematische Unsicherheiten verringern und die Rekonstruktion von Neutrinoereignissen optimieren. Dadurch werden zukünftige Messungen ebenso verbessert wie die Rekonstruktion und Neuanalyse des bereits gesammelten IceCube-Datensatzes. Das Upgrade wird die physikalische Forschung von IceCube insgesamt stärken und schafft eine wichtige Grundlage für IceCube-Gen2, das Observatorium der nächsten Generation.