IceCube: Neutrino-Teleskop der neuen Generation


      IceCube ist ein Neutrinoteleskop der Superlative, installiert im Eis der Antarktis am Südpol. In einem Volumen der Größe eines Kubikkilometers weisen 5160 Lichtsensoren Myonen oder andere geladene Teilchen nach, die den Detektor von unten durchfliegen. Sie werden bei der Wechselwirkung hochenergetischer Neutrinos mit den Eismolekülen erzeugt. IceCube ist der weltweit größte Teilchendetektor, mit dem Neutrinos von galaktischen oder extragalaktischen Objekten nachgewiesen werden sollen. Obwohl der Südpol als Ort für eine Hochtechnologie-Anlage zunächst befremdlich erscheint, gibt es ganz entscheidende Vorteile: Das Eis ist dort 3 km tief, es ist höchst transparent und die Amundsen-Scott Station bietet die erforderliche Infrastruktur.

      Entscheidend für die Bewilligung des Projekts war der erfolgreiche Betrieb des Neutrinoteleskops AMANDA, das seit 1997 Daten liefert. Mit AMANDA konnte gezeigt werden, dass das Konzept eines Neutrinoteleskops im Eis funktioniert. Es gelang, die Energie und die Richtung hochenergetischer Neutrinos mit großer Genauigkeit zu rekonstruieren. Allerdings dürften die mit AMANDA registrierten etwa zehntausend Neutrinos alle oder fast alle in der Erdatmosphäre als Reaktionsprodukte zwischen kosmischer Strahlung und Luftmolekülen entstanden sein. Die Entdeckung extraterrestrischer Neutrinos bleibt also IceCube vorbehalten. Zwar gelangen bisher noch keine spektakulären Entdeckungen, dafür wesentliche Beiträge zu Verbesserung der Nachweisgrenzen von Kandidaten für die dunkle Materie, von magnetischen Monopolen und von möglichen Punktquellen für hochenergetische Neutrinos.

      IceCube ist etwa dreißig mal größer und damit wesentlich empfindlicher als AMANDA. Die Installation der 5160 optischen Modulenwurde im Dezember 2010 abgeschlossen. Der AMANDA-Detektor war von 2006 bis 2009 in die Datennahme von IceCube integriert. Die schematische Zeichnung zeigt die Dimension der beiden Detektoren. Bei IceCube sind 60 Lichtsensoren im Abstand von 17 m an einer Trosse befestigt, bei AMANDA waren es zwischen 20 und 42. In die Trossen integriert sind die Kabel für die Stromversorgung und die Signalkabel. Insgesamt wurden die optischen Module in 86 Bohrlöcher in eine Tiefe zwischen 1450 und 2450 m versenkt. Die Löcher sind im Abstand von 125 m regelmäßig über eine Fläche von einem Quadratkilometer verteilt. Im Januar 2009 begann die Installation des kompakten Deep Core Detektors im Zentrum von IceCube. Er besteht aus 8 Trossen mit einem horizontalen Abstand von 72 m und einem vertikalen Abstand der optischen Module von nur 7 m. Die schematische Zeichnung zeigt den Deep Core Detektor, der im klaren Eis in einer Tiefe von 2100–2450 m installiert ist. DeepCore ersetzt AMANDA, das inzwischen abgeschaltet ist.

      Die Lichtsensoren sind so empfindlich, dass sie sogar auf ein einzelnes Photon ansprechen. Jedes Lichtsignal wird verstärkt, in einen elektrischen Impuls umgewandelt und noch im optischen Modul in ein digitales Signal übersetzt. Dazu haben alle Module einen eigenen Mini-Computer und eine Präzisionsuhr, um die Ankunftszeit der Photonen bis auf 5 Nanosekunden (5*10-9sec) genau zu messen. Die digitalisierten Signale werden dann über kilometerlange Kabel zum zentralen Datenerfassungssystem in die Südpolstation geleitet.

      DESY ist mit folgenden Beiträgen am IceCube Projekt beteiligt:

      • Fertigung und Test von 1250 der mehr als 5000 optischen Module
      • Entwicklung und Fertigung von elektronischen Komponenten für die Datenauslese
      • Entwicklung von Software für die Datenanalyse
      • Entwicklung und Test neuer Methoden für den Nachweis von Teilchen
      • Datenarchivierung und -analyse mittels European TIER1 Center
      • Datenanalyse