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Neutrinos aus dem Eis: Die Physik hinter dem Nobelpreis 2026
Für den Nachweis kosmischer Neutrinos im Polareis erhält Francis Halzen den Nobelpreis für Physik. Doch wie funktioniert das IceCube-Observatorium?
Wenn Astronomen das Universum erkunden, bauen sie meist riesige Spiegel aus Glas oder schicken Teleskope ins All. Francis Halzen hatte Ende der 1980er-Jahre eine andere Idee: Er wollte tausende Lichtsensoren im ewigen Eis des Südpols versenken, um dort nach Teilchen zu fahnden, die eigentlich fast alles ungehindert durchdringen. Mit dieser Hartnäckigkeit ebnete der belgisch-amerikanische Physiker den Weg zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos aus dem Kosmos. Dass aus der Idee ein funktionierendes Observatorium wurde, ist das Verdienst, für das Francis Halzen den Nobelpreis für Physik 2026 erhält.
Seine besondere Rolle bestand darin, die Idee eines Detektors im Polareis über Jahrzehnte voranzutreiben: vom Konzept und dem Vorläufer AMANDA bis zum Bau und wissenschaftlichen Betrieb von IceCube.
Die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung sind überwiegend Protonen und Atomkerne. Irgendwo im All müssen natürliche Beschleuniger sie auf enorme Energien bringen. Ihre Herkunft lässt sich jedoch nicht einfach aus der Richtung ablesen, aus der sie die Erde erreichen: Als elektrisch geladene Teilchen werden sie unterwegs von Magnetfeldern abgelenkt.
Neutrinos bieten hier einen anderen Zugang. Aber was genau sind diese Teilchen? Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die fast keine Masse besitzen. Sie wechselwirken ausschließlich über die schwache Kernkraft und die Gravitation, weshalb sie problemlos durch gewöhnliche Materie hindurchfliegen. Jeden Sekundenbruchteil durchqueren Milliarden von ihnen unbeobachtet die Erde und sogar unsere eigenen Körper.
In astrophysikalischen Umgebungen entstehen sie, wenn jene hochbeschleunigten Protonen oder Atomkerne der kosmischen Strahlung auf umgebendes Gas oder intensive Strahlungsfelder treffen. Bei solchen Kollisionen werden unter anderem sogenannte Pionen erzeugt. Während neutrale Pionen in Gammastrahlung zerfallen, entstehen beim Zerfall geladener Pionen Myonen und Neutrinos; die Myonen zerfallen ihrerseits unter Aussendung weiterer Neutrinos.
Weil Neutrinos keine elektrische Ladung besitzen, fliegen sie nach ihrer Entstehung nahezu geradlinig weiter und können selbst dichte Quellregionen verlassen, aus denen andere Strahlung nicht entkommt. Ein hochenergetisches Neutrino ist damit ein wertvoller Bote von Prozessen, an denen extrem energiereiche Protonen beteiligt sind.
Da Neutrinos so extrem selten wechselwirken, braucht ein Detektor riesige Mengen an Materie, um überhaupt genügend Treffer zu registrieren. Halzen und sein Kollege John Learned schlugen 1988 vor, dafür tiefes antarktisches Eis zu nutzen.
IceCube misst Neutrinos nicht direkt. Trifft eines auf einen Atomkern im Eis, können elektrisch geladene Teilchen entstehen. Da Licht im Eis abgebremst wird, können sich diese Teilchen schneller fortbewegen als das Licht in diesem Medium. Tun sie das, entsteht eine Art optischer Überschallknall: das sogenannte Tscherenkow-Licht. Die absolute Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wird dabei natürlich nicht überschritten.
Mehr als 5000 optische Module des ursprünglichen IceCube erfassen, wann und wie stark dieses Licht an verschiedenen Stellen eintrifft. Daraus lassen sich Eigenschaften des Ereignisses rekonstruieren. Ein entstehendes Myon kann eine lange Lichtspur hinterlassen, die vergleichsweise gut auf eine Richtung weist. Andere Wechselwirkungen erzeugen eher kompakte Teilchenschauer: Bei ihnen lässt sich die Energie oft besser, die Richtung aber weniger präzise bestimmen.