An der Technische Universität München (TUM) wurden 30 hochpräzise Kalibrationsmodule, sogenannte POCAMs (Precision Optical Calibration Modules), entwickelt und gebaut. Sie ermöglichen eine deutlich verbesserte Charakterisierung der optischen Eigenschaften des antarktischen Eises und erhöhen die Genauigkeit bei der Rekonstruktion von Neutrinoereignissen. Internationale Partnerinstitutionen steuerten ergänzende Technologien bei, darunter neuartige Detektionseinheiten wie das mDOM (multi-PMT Digital Optical Module) sowie das D-Egg (Dual optical sensors in an Ellipsoid Glass).
Die Module sind in druckresistenten Glaskugeln untergebracht, die entlang eines Kabels zu sogenannten „Strings“ mit jeweils mehr als 100 Instrumenten angeordnet sind. Diese Sensorketten wurden in rund 2.600 Meter tiefe Bohrlöcher im antarktischen Eis eingebracht. Dort registrieren sie schwache Lichtsignale, die bei Wechselwirkungen von Neutrinos entstehen.
Neutrinos sind nahezu masselose, elektrisch neutrale Elementarteilchen, die nur äußerst selten mit Materie wechselwirken. IceCube nutzt einen Kubikkilometer antarktischen Eises als Detektionsmedium: Trifft ein Neutrino auf ein Eismolekül, entstehen geladene Sekundärteilchen, die kurze Pulse von Cherenkov-Strahlung aussenden. Photomultiplier verstärken diese Lichtsignale und ermöglichen Rückschlüsse auf Energie und Richtung der Teilchen. IceCube zählt zu den weltweit leistungsfähigsten Observatorien für Astroteilchenphysik.
„Zu wissen, dass unsere POCAM-Module nun tief im antarktischen Eis arbeiten, ist ein außergewöhnliches Gefühl. Ihre Entwicklung war eine lange Reise, an der viele hervorragende junge Forschende beteiligt waren. “, sagt Elisa Resconi, Professorin für Experimentalphysik mit kosmischen Teilchen an der TUM. „Die präzise Kalibration ist entscheidend, um Neutrinoereignisse genauer zu rekonstruieren und neue Einblicke in das hochenergetische Universum zu gewinnen.“
Die Installation der empfindlichen Instrumente unter extremen Umweltbedingungen stellt hohe Anforderungen. Während der kurzen Polarsaison arbeiten die Teams bei Temperaturen von bis zu –30 °C und dauerhaftem Tageslicht. Die Module müssen erheblichen Temperatur- und Druckschwankungen standhalten und sind daher in speziell entwickelte Glasgehäuse eingebettet. Zur Vorbereitung wurden vollständige Installationsproben an der University of Wisconsin–Madisondurchgeführt.
„Die Arbeit am Südpol ist wissenschaftlich wie persönlich eine besondere Erfahrung“, erklärt Dr. Andrii Terliuk, Physiker an der TUM und Mitglied des Installationsteams. „Die Bedingungen sind anspruchsvoll, doch die erfolgreiche Inbetriebnahme der Module ist äußerst motivierend.“
„Das Einbringen der Sensorketten erfordert höchste Präzision und Teamarbeit“, ergänzt Dr. Colton Hill, ebenfalls Physiker an der TUM. „Der technische Aufwand ist enorm – aber der Beitrag zu einem weltweit einzigartigen Experiment macht ihn lohnenswert.“
Die sechs neu installierten Upgrade-Strings bilden nun den am dichtesten instrumentierten Bereich des Detektors. Die verbesserten Kalibrations- und Detektionsmöglichkeiten erlauben künftig eine präzisere Analyse der Messdaten.
„Das Upgrade ermöglicht die bislang genaueste Messung atmosphärischer Neutrinooszillationen“, sagt Dr. Philipp Eller, Senior Scientist an der TUM. „Damit lassen sich fundamentale Fragen der Teilchenphysik untersuchen.“
Das IceCube-Upgrade ist zugleich ein wichtiger Schritt in Richtung IceCube-Gen2, der geplanten nächsten Ausbaustufe des Observatoriums. IceCube-Gen2 wird die Empfindlichkeit des Detektors erheblich steigern und neue Forschungsbereiche erschließen.
Acknowledgement
Die National Science Foundation (NSF) stellte die Hauptfinanzierung für das IceCube-Neutrinobservatorium bereit, ergänzt durch die Unterstützung internationaler Partnerorganisationen. Die University of Wisconsin–Madison ist die federführende Institution und verantwortlich für Wartung und Betrieb des Detektors. Die Förderorganisationen der beteiligten Länder unterstützen die jeweiligen wissenschaftlichen Forschungsaktivitäten.
Die IceCube-Kollaboration umfasst rund 450 Physikerinnen und Physiker aus 58 Institutionen in 14 Ländern. In Deutschland sind beteiligt: DESY Zeuthen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen–Nürnberg, Humboldt-Universität zu Berlin, Karlsruhe Institute für Technologie (KIT), Ruhr-Universität Bochum, RWTH Aachen, TU Dortmund, Technische Universität München (TUM), Universität Münster, Johannes Gutenberg-Universität Mainz sowie Universität Wuppertal.
Die IceCube-Kollaboration wird derzeit von ihrer Sprecherin Erin O’Sullivan, Professorin für Physik an der Uppsala University, Schweden, geleitet.
Weitere Informationen und Links
- Das IceCube-Projekt und das Upgrade werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie durch Beiträge der teilnehmenden Universitäten und der EU finanziert. Link: https://icecube.wisc.edu/collaboration/funding/ (in Englisch)
- Prof. Elisa Resconi's Experimental Physics with Cosmic Particles research group https://www.ph.nat.tum.de/cosmic-particles/experimental-physics-with-cosmic-particles (in Englisch)
- IceCube Neutrino Laboratory https://icecube.wisc.edu/ (in Englisch)
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