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IceCube – Die coole Jagd nach den Neutrinos

von Redaktion am 30. Oktober 2010

Zum Jahreswechsel 2010/2011, gegen Ende des antarktischen Hochsommers, ist es soweit. Das weltweit größte und modernste Neutrinoteleskop „IceCube“ erreicht seine vorläufig maximale geplante Ausbaustufe. Der Bau dieser technischen Großanlage direkt am Südpol unter der Leitung der „National Science Foundation“ brachte Mensch, Maschine und Technik an die äußersten Grenzen des Machbaren. Steigt doch die Temperatur selbst im Hochsommer Ende Dezember kaum über -25°C und macht die 2005 begonnen Bauarbeiten zur technischen Meisterleistung. Damit stehen bislang unerreichbare Möglichkeiten offen, um die Quellen hochenergetischer kosmischer Strahlung, „Gamma ray bursts“, das Wesen Dunkler Energie oder um Neutrinooszillationen zu untersuchen.

Aufbau des Neutrinoteleskops IceCube

Aufbau des Neutrinoteleskops IceCube beschrieben im Statusbericht 2010

Das Neutrinoteleskop liegt im antarktischen Eisschild in einer Tiefe zwischen 1.450 und 2.450 Metern direkt bei der neu errichteten Amundsen-Scott Südpolstation. Diese nach zehn Jahren Bauzeit 2009 fertig gestellte Station, ist am modernsten Stand der Technik und löst die alte Südpolstation mit ihrer markanten Aluminiumkuppel ab. Nur mit dieser neuen Station ist es möglich, unter akzeptablen Arbeitsbedingungen Forschung zu betreiben. Denn während des antarktischen Winters zwischen Februar und Oktober ist die Station, mit Ausnahme der Datenverbindung via Satellit, von der Außenwelt abgeschnitten. Und gerade die Wintermonate sind es, welche mit ihrer extrem klaren Luft und niedrigen Luftfeuchtigkeit die besten Voraussetzungen zwar nicht für das Neutrinoteleskop, aber für die anderen astronomischen und astrophysikalischen Beobachtungen bieten.

Amundsen-Scott Südpolstation (2009)

Die 2009 fertig gestellte Amundsen-Scott Südpolstation

Die alte Aluminiumkuppel hatte nur eine einzige Schutzfunktion: sie hielt den Wind ab; eine Wärmeisolierung gab es jedoch nicht. Damit war es innerhalb der Kuppel genau so kalt, wie außerhalb. Im Winter bis zu -67,0°C (gemessen im Juli 2004). Die Wände der neuen Station sind mit einer speziellen Wärmedämmung versehen, sodass sie nur etwa 30cm dick sind. Mit handelsüblicher Mineralwolledämmung wären die Wände eineinhalb Meter dick. Außerdem wird die neue Station von einer Stahlkonstruktion auf Stelzen getragen. Damit ist die Schneeräumung viel einfacher, denn der Niederschlag ist zwar sehr gering (28cm Schnee pro Jahr), aber der Schnee schmilzt nie und die Winde häufen ihn an jedem Hindernis an, das als Bodenerhebung einen Luftwiderstand bietet. Durch die Stelzenkonstruktion wird der Schnee unter der Station hindurch geblasen und die zu beseitigenden Schneemengen sind viel geringer. Die Errichtung der Stahlkonstruktion war wohl der härteste Job, der auf dieser Welt zu vergeben war. Stahlarbeiter sind üblicher Weise harte Burschen. Aber auch sie mussten nach einigen bösen Erfahrungen lernen, sich rechtzeitig aufzuwärmen, um Erfrierungen, vornehmlich im Gesicht, zu vermeiden. Als Geheimtipp werden Wangen, Nase, Stirn und Kinn mit Klebeband abgedeckt.

LC-130 Hercules Transportflugzeug am Südpol

Der Flughafen am Südpol (NZSP) mit einem LC-130 Hercules Transportflugzeug beim Entladen (Operation Deep Freeze)

Während des kurzen Sommers von drei bis vier Monaten muss die gesamte Ausrüstung und das gesamte Baumaterial per Schiff über Neuseeland zur McMurdo-Station am Rande der Antarktis gebracht werden. Von dort wird alles per Transportflugzeug Hercules LC-130 zum Südpol geflogen. Diese Flüge werden „Operation Deep Freeze“ genannt. Aufgrund dieses aufwendigen Transports kostet zum Beispiel ein Liter Treibstoff für die Südpolstation sieben US-Dollar.

IceCube Labor

Labor am Südpol für das Neutrinoteleskop IceCube

Die wesentliche Komponente des Neutrinoteleskops ist ein Kubikkilometer reinsten und klarsten Eises, der in einer Tiefe zwischen 1.450 und 2.450 Meter direkt am geographischen Südpol liegt. Neutrinos sind extrem schwer zu detektierende Teilchen mit sehr geringer Masse, die kaum jemals mit Atomen zusammenstoßen und damit einen beobachtbaren Effekt hervorrufen. Etwa alle zwanzig Minuten kollidiert eines der Neutrinos, die den IceCube durchqueren, mit einem Atom und erzeugt dabei ein fast lichtschnelles Myon, dessen Bremsstrahlung einen Lichtblitz im IceCube produziert. (Die Myonen sind etwas langsamer als Licht im Vakuum, aber schneller als Licht im Eis. Daher erzeugen sie einen „Überlichtknall“, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung – das ist der genannte Lichtblitz.) Ziel ist es nun, diese Lichtblitze zu detektieren.

IceCube Bohrstation 2009

Die mobile Bohrstation beim Einsatz um eine der Röhren für IceCube zu bohren (2009)

Dazu werden auf einer Fläche von etwa einem Quadratkilometer mittels Bohrmaschinen und heißen Wassers insgesamt 86 Röhren in das Eis gebohrt. In jeder Bohrung werden 60 „Digital Optical Modules“ (DOMs, siehe Artikelbild) mit jeweils einer Photovervielfacherröhre zur Detektion der Lichtblitze untergebracht. IceCube besteht somit aus 5.160 DOMs, die es ermöglichen, Zeitpunkt des Auftreffens und die Richtung eines kollidierenden Neutrinos zu messen.

Südpol-Teleskop

Südpol-Teleskop (ganz links) im Sonnenuntergang am Ende des Sommers am Südpol. In der Mitte ist die Schüssel von BICEP2 zu sehen.

Doch IceCube ist nicht das einzige Hightec-Gerät, das am Süpol seinen Betrieb aufgenommen hat. Seit kurzem liefert das Südpolteleskop mit seiner 10 Meter Schüssel ebenso Präzisionsaufnahmen im Mikro- und Millimeterwellenbereich des südlichen Sternenhimmels, wie „Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization“ BICEP2 vom „Cosmic Microwave Background“.

Mit diesen neuen technischen Präzisionsinstrumenten am unwirtlichsten Ort der Erde werden neue Erkenntnisse über die Entstehung und die Struktur des Universums möglich und vielleicht, wer weiß, liefern sie die Fakten zur Entschlüsselung der Geheimnisse der Dunklen Materie und der Dunklen Energie.

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4 Kommentare | Kommentar schreiben
 
  1. #1 | SG-13 | 8. November 2010, 09:49

    Ein schöner Artikel über die Forschungsarbeiten am Südpol.

    „Neutrinos sind extrem schwer zu detektierende Teilchen mit keiner oder sehr geringer Masse (darüber sind sich die Wissenschaftler noch nicht einig)…“

    Da muss ich dir dann doch widersprechen, wir wissen das Neutrinos oszillieren, also ihren Flavor ändern (z.B. vom Myon-Neutrino ins Tau-Neutrino). Anders lässt sich das Solare Neutrino-Defizit nicht klären. http://de.wikipedia.org/wiki/Neutrinooszillation

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  2. #2 | Karl | 8. November 2010, 12:24

    Hallo SG-13,

    ich bin kein Teilchenphysiker und daher nicht unbedingt am letzten Stand. Den Konjunktiven in den diversen Texten zu Neutrinos habe ich entnommen, dass da noch eine gewisse Unsicherheit besteht. Wenn es jedoch bereits als gesichert gilt, dass Neutrinos eine (geringe) Masse haben danke ich für deinen Hinweis und werde den Artikel entsprechend anpassen.

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  3. #3 | Karl | 24. Dezember 2010, 14:44

    Am 18. Dezember 2010, 18 Uhr neuseeländischer Zeit (6 Uhr morgens, CET), war es soweit. Die letzte Röhre, Nummer 86, des Neutrinoteleskops war mit ihren Detektoren bestückt und verkabelt. Damit ist IceCube nach 6 Jahren Bauzeit fertig gestellt:

    South Pole Weekly Report, Dec. 19, 2010

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  4. #4 | Uli | 22. Februar 2013, 15:54

    Aus der Beobachtung von Neutrinooszillationen folgt zumindest, dass nicht alle 3 Arten masselos sein können. Die Oszillationsfequenz zwischen 2 Flavours/Generationen geht ja wie ihre Massendiferenz

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