NEUTRINOFORSCHUNG IN DEUTSCHLAND

SYSTEMVERTRÄGLICHE NEUTRINOFORSCHUNG IN DEUTSCHLAND VERSCHWEIGT DIE NEUESTEN ERKENNTNISSE VON US-ELITEUNIVERSITÄTEN
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SYSTEMVERTRÄGLICHE NEUTRINOFORSCHUNG IN DEUTSCHLAND VERSCHWEIGT DIE NEUESTEN ERKENNTNISSE VON US-ELITEUNIVERSITÄTEN

Neutrinos befinden sich überall im Weltraum und auf der Erde. Weil die Elementarteilchen mit ihrer verschwindend geringen Masse aber ganze Planeten und Galaxien genau wie menschliche Körper und irdische Objekte scheinbar spurlos durchdringen, sind sie nur sehr schwer einzufangen.

Aber ist es angemessen, über ein Jahrzehnt hunderte Millionen € an staatlichen Forschungsgeldern in ein Projekt am Südpol zu investieren, wenn US-Forscher längst beweisen, dass die Neutrinoforschung heutzutage mit viel weniger Aufwand auch schneller voranzubringen ist?

AUF DER SUCHE NACH DEM WESEN DER „GEISTERTEILCHEN“

Das Weltall durchfließen die Neutrinos fast mit Lichtgeschwindigkeit. Nach den Photonen sind Neutrinos die zweithäufigsten Elementarteilchen. Derzeit werden drei Arten unterschieden, zwischen denen die Neutrinos aber auch oszillieren können: Myon-Neutrinos, Elektronen-Neutrinos und Tau-Neutrinos.

Auch Quelle und Herkunft der Neutrinos sind unterschiedlich. Einige Neutrinos existieren bereits seit dem Urknall, andere Neutrinos werden beim Aufprall der kosmischen Strahlung auf die Atmosphäre erzeugt, wieder andere entstehen an der Sonne, im Erdinneren, in Kernreaktoren oder werden bei Experimenten in Teilchenbeschleunigern erzeugt.

Das Rätsel, das ihr Wesen und den Ort ihrer Entstehung noch umgibt, hat unter anderem dazu beigetragen, dass die Neutrinos als „Geisterteilchen“ bezeichnet wurden.

NEUTRINOFORSCHER MEHRFACH MIT DEM NOBELPREIS FÜR PHYSIK PRÄMIERT

Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli hatte schon im Jahr 1930 die Existenz von Neutrinos hypothetisch postuliert. Damals war es aber experimentell noch nicht möglich, ihre bereits damals angenommene, schwache Wechselwirkung mit Materie nachzuweisen. 1956 gelang dann erstmals der Nachweis. Der verantwortliche Leiter der Experimente, Frederick Reines, wurde dafür rund vierzig Jahre später mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Auch 2002 erfuhren Physiker, die sich der Neutrinoforschung gewidmet hatten, Ehren durch die höchste Auszeichnung auf dem Gebiet der Physik. 2002 wurden der US-Amerikaner Raymond Davis jr. und der Japaner Masatoshi Koshiba für den Nachweis kosmischer Neutrinos mit dem Nobelpreis belohnt. 2015 wurde dann dem Japaner Takaaki Kajita und dem Kanadier Arthur McDonald für den Nachweis ihrer Masse und der Neutrino-Oszillationen der Nobelpreis für Physik verliehen.

HUNDERTE MILLIONEN € VON FORSCHUNGSGELDERN UNTER DEM EIS EINGEFROREN

Weil die Neutrinos so schwer fassbar sind, versuchen insbesondere die mit Fördergeldern stark subventionierten Forschungsprojekte der systemverträglichen Neutrinoforschung in Deutschland, immer wieder Neutrinos mit gigantischen Detektoren aufzuspüren und das Phänomen ihrer Oszillationsfähigkeit zu erklären. Das verschlingt geradezu horrende Summen. Gleichzeitig bleibt der Öffentlichkeit unbekannt, dass es mittlerweile kostengünstigere Alternativen gibt, mit denen die Eigenschaften von Neutrinos heute viel einfacher nachweisbar sind.

IceCube – der größte Detektor der Welt

Das größte Neutrinoobservatorium, der sogenannte IceCube, steht am Südpol. An der Amundsen-Scott-Südpolstation wird das Observatorium vom IceCube Particle Astrophysics Centerder University of Wisconsin–Madisonbetrieben, an dem über 300 Forscher und Forscherinnen internationaler Institute seit dem Jahr 2010 gemeinsam an einem Wissenschaftsprogramm teilnehmen. Insgesamt wurden in den IceCube bislang etwa
270 Millionen US-Dollar investiert.

Insbesondere die USA und Deutschland sind aktive Partner im Rahmen des Forschungsprojekts. Zahlreiche renommierte Forschungszentren und Universitäten entsenden ihre Wissenschaftler, um am IceCube zu forschen. Gleichzeitig entwickeln deutsche Forschungsgruppen optische und akustische Geräte, mit denen der Detektor geeicht oder Simulationen und Kalibrierungen methodisch durchgeführt werden können.

Milliardenschwerer, neuer Sensortyp- deutsche Forschung verspricht sich „Erweiterung des Blicks ins All“

Ein optischer Sensortyp mit besonders hoher Empfindlichkeit namens „multi-Pixel Digital Optical Module“ (mDOM) mit einem Durchmesser von 36 cm wird bald in einer Tiefe von über 1,5 Kilometern im Zentrum des IceCubes mithilfe von sieben weiteren Kabelsträngen in das Eis eingelassen. Das erneute, kostspielige Upgrade des IceCube steht bereits für das Jahr 2022/23 an. Laufen die Messungen mit den neu entwickelten Gerätschaften wie geplant, soll eine Erweiterung des IceCube den Betrieb aufnehmen.

Der IceCube-Gen2 soll zehn Mal so groß sein wie der derzeitige IceCube. Der Leiter der KIT-IceCube-Forschungsgruppe verspricht sich davon neben genaueren Messergebnissen eine entscheidende „Erweiterung unseres Blicks ins All“, mit der er die Rätsel der Physik rund um die „höchstenergetischsten Prozesse“ zu lösen hofft.

Warten auf die blaue Leuchtspur

Die Eigenschaften der Neutrinos sind immer noch die am wenigsten verstandenen Elementarteilchen. Einer Erklärung durch das Standardmodell der Teilchenphysik entziehen sie sich ganz. Schon jetzt sind 5160 Sensoren am Neutrino-Observatorium installiert.

Mehr als ein Kubikkilometer unterirdischen Eises wird derzeit überwacht, damit die seltenen Neutrinokollisionen, bei denen eine blaue Leuchtspur zu sehen ist, registriert werden können. Anhand des Leuchtens lässt sich dann die Richtung, aus der das Neutrino stammt und seine Energie rekonstruieren.

Millionen von Fördermitteln fließen seit 10 Jahren in das IceCube-Projekt

Um nun weitere 750 zusätzliche Sensoren im ewigen Eis zu versenken, hat die US-amerikanische National Science Foundation 23 Millionen US-Dollar bereitgestellt. Von amerikanischer Seite steuert unter anderem die Michigan State Universityzu den Forschungen an der Neutrino-Astronomie bei.

Von deutscher Seite werden diese Forschungen vorwiegend mit den Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung beziehungsweise der Helmholtz-Zentren DESY und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) finanziert. Alleine die Helmholtz-Zentren bringen 6,4 Millionen US-Dollar in das Projekt ein. Alle neun beteiligten deutschen Universitäten werden über den deutschen Forschungsverbund und Fördermittel, die direkt an die einzelnen Universitäten fließen, vom Bund und den Ländern finanziell bei der „Erweiterung des Blicks ins All“ unterstützt.

Die IceCube-Forschung – Too big to fail?

Offensichtlich ist das Projekt und die Sammelwut rund um die Daten, die seit bereits zehn Jahren gesammelt werden, mittlerweile viel zu groß geworden, um den emsigen Betrieb noch einstellen zu können. Oder, wie es ein DESY-Forscher formuliert: „Die Daten, die IceCube gesammelt hat, werden durch das Upgrade erheblich aufgewertet“.

Mehr als eine groß als Erfolgsmeldung aufgemachte Pressemitteilung im vergangenen Jahr ist aus dem Eis bislang in der Öffentlichkeit nicht zu vernehmen gewesen: Es sei gelungen, eine erste Quelle der Neutrinos zu orten – in Zusammenarbeit mit vielen weiteren Observatorien auf der ganzen Welt. In einem riesigen Schwarzes Loch in einer etwa vier Milliarden entfernten Galaxie, das wiederum als natürlicher Teilchenbeschleuniger gedient haben soll, verliefen sich die Spuren der von IceCube rückverfolgten Teilchen.

Untergegangen ist stattdessen in der Berichterstattung, dass es neben der gigantischen, tonnenschweren Detektortechnik des IceCube auch noch eine viel einfachere Möglichkeit gibt, den Elementarteilchen habhaft zu werden.

Neutrinodetektor der University of Chicago– in sparsamer Miniaturgröße

In der Öffentlichkeit musste der Eindruck entstehen, dass es nur möglich sei, den schwer fassbaren Neutrinos mit riesigen Detektoren auf die Spur zu kommen. Physiker der University of Chicago haben aber bereits eine Miniapparatur entwickelt, mit der sie Neutrinos aufspüren und eine besonders unscheinbare Wechselwirkung nachweisen konnten. 43 Jahre nach den ersten theoretischen Vermutungen ist der 80-köpfigen Forschergruppe der internationalen COHERENT Collaborationgelungen, so experimentell den Nachweis dafür erbringen, dass sich Neutrinos in einer, wenn auch extrem unscheinbaren Wechselwirkung mit dem Atomkern befinden.

Überlegen: Der 14,5 Kilogramm-Detektor in einer „Neutrino-Gasse“ von 20 Metern

Statt eines Observatoriums fern in der Antarktis, das jährlich gigantische Mengen an Ressourcen verschlingt, brauchte es dazu nur einen etwa 14,5 Kilogramm schweren Detektor und ein Jahr intensiver Forschung in Zusammenarbeit mit der Spallation Neutron Sourcedes Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums im Bundesstaat Tennessee.

Im Oak Ridge National Laboratory wird ein sehr intensiver, pulsierender Neutronenstrahl produziert, der als Nebenprodukt Neutrinos entstehen lässt. Eine dick mit Eisen und Beton ummantelte, unterirdische Gasse von etwa 20 Metern war ausreichend, um die Neutrinos von anderen Teilchen zu isolieren und die Messungen mit dem Minidetektor durchführen zu können.

Cäsium, Jod und Xenon sorgen für die Effizienz der Detektor-Appartur

Das Geheimnis des vergleichsweise winzigen Detektors liegt in seiner Zusammensetzung: Sehr schwere Elemente wie Cäsium, Jod und Xenon wurden verwendet, um die subtile Wechselwirkung der Neutrinos mit dem Atomkern nachzuweisen. Eine Kollision, die sonst so spurlos bliebe wie der Aufprall eines Tischtennisballs auf einer Bowlingkugel.

Mit dem kleinen Detektor wird es nun endlich möglich sein, die Neutrinoforschung entscheidende Schritte voranzubringen. Noch immer ist zu klären, welche Masse Neutrinos genau haben und warum Neutrinos Teilchen und Antiteilchen zugleich sind. Auch ein Einsatz in Kernreaktoren, in denen die Entstehung der Neutrinos überwacht werden kann, ist denkbar.

Während man in Chicago also nur noch einen Detektor in Kaffeekannengröße benötigt, um die Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie nachzuweisen, brauchen deutsche Forscher weiter eine gigantische Anlage und Kubikkilometer von Eis, um nicht viel mehr zu erreichen, als dabei „den Blick“ in die Unendlichkeit des Weltraums „zu erweitern“. Oder was steckt in Wirklichkeit hinter der dortigen Forschung?

Investigativ-Team: : Alfred Speer, Jonas Much & Michael Korn

 

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