Wenn wir kurz den kleinen Finger heben, dann rasen rund 65 Milliarden winzige Teilchen von der Sonne durch den Fingernagel – jede Sekunde. Wir merken nichts davon. Fast alle dieser Teilchen fliegen durch uns, durch die Erde hindurch, ohne irgendwo „anzustoßen“. Physiker nennen sie auch die Geisterteilchen: Neutrinos. Viel seltener sind Neutrinos mit gewaltiger Energie aus den Tiefen des Weltalls.
Für seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs erhält der Physiker Francis Halzen den Physik-Nobelpreis 2026.
Warum sind Neutrinos so schwer nachweisbar?
„Neutrinos sind unter den fundamentalen Elementarteilchen, soweit wir heute wissen, die leichtesten“, ordnet Kathrin Valerius, Professorin für Astroteilchenphysik und stellvertretende Leiterin des Instituts für Astroteilchenphysik am Karlsruher Institut für Technologie KIT, ein. Sie forscht selbst an Neutrinos – den „geisterhaften Boten aus dem All“. Neutrinos treten kaum mit anderer Materie in Wechselwirkung.
Deswegen sind sie auch nur schwer nachweisbar, denn dafür müssen sie mit einem Detektor wechselwirken. Die beste Chance, ein Neutrino zu beobachten, hat man, wenn sehr viele Neutrinos einen Detektor durchqueren. Die erste Beobachtung gelang deshalb 1956 an einem der ersten großen Kernreaktoren, der von Natur aus sehr viele Neutrinos produziert.
Was verraten hochenergetische Neutrinos über das All?
Hochenergetische Neutrinos entstehen bei extremen Vorgängen im All, etwa bei Supernovae, also sterbenden Sternen, die enorme Mengen an Energie freisetzen, oder schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien.
Im Gegensatz zu elektrisch geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung werden Neutrinos weder durch Materie noch durch Magnetfelder abgelenkt. Das bedeutet: Kann ein Neutrino zurückverfolgt werden, kann seine Flugrichtung rekonstruiert werden, dann zeigt diese direkt zu seinem Ursprung zurück.
Wie wird das antarktische Eis zum Detektor?
Hier kommt Francis Halzens Idee ins Spiel: Ein riesiger Detektor im antarktischen Eis. Die Größe erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino im Detektor mit dem Eis wechselwirkt. Zunächst wurden in einem Projekt namens AMANDA sogenannte Photoelektronenvervielfacher im Eis versenkt. Diese Module können kleinste Lichtblitze detektieren, wie sie entstehen, wenn Neutrinos mit einem Atomkern im Eis interagieren.
Aufgrund des Erfolges von AMANDA wurde schließlich das Observatorium IceCube (externer Link) genehmigt und Ende 2010 fertiggestellt – mit einem Kubikkilometer Volumen etwa 50-mal größer als sein Vorgängerprojekt. Trotz dieser enormen Größe wird im Schnitt nur etwa ein hochenergetisches Neutrino pro Tag detektiert.
Deutsche Forschung prägt die Neutrino-Jagd im Südpol-Eis
IceCubes Spezialität ist das Messen von Neutrinos mit besonders hoher Energie, wie sie beispielsweise aus dem Zentrum von aktiven Galaxien, sogenannten Blazaren, ausgestoßen werden. Diese können bis zu einer Milliarde Mal energiereicher sein als Neutrinos, die von der Sonne ausgestoßen werden.
IceCube ist ein internationales Projekt. Nach den USA ist Deutschland der zweitgrößte Partner und spielt auch wissenschaftlich eine zentrale Rolle. Neben dem Forschungszentrum DESY in Zeuthen und dem KIT sind mehrere deutsche Universitäten beteiligt, darunter unter anderem die RWTH Aachen, HU Berlin, FAU Erlangen-Nürnberg und die TU München.
Warum erhält Francis Halzen den Physik-Nobelpreis?
Für seine Beiträge zu IceCube und die damit einhergehende Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs wird Francis Halzen jetzt mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet. Dieses Instrument der astronomischen Grundlagenforschung könnte bisher unbekannte kosmische Phänomene aufdecken, so das Nobelkomitee in seiner Begründung.
So sieht das auch Kathrin Valerius vom KIT: „Das sind Teilchen, die uns einen Blick in ferne Welten eröffnen, auf Bereiche, die wir sonst nicht so einfach beobachten können und die uns fundamentale Neuerkenntnisse versprechen – ein Feld, was seit vielen Jahrzehnten darauf hinarbeitet, solche bahnbrechenden Entdeckungen zu machen.“
