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Neutrino-Jagd mit Radioantennen

Neuartiger Detektor soll auf Grönland energiereiche kosmische Neutrinos nachweisen

Radio-Neutrinodetektor
Die ersten Antennen des neuen Radio-Neutrinodetektors sind ins Grönlandeis eingelassen. Die Fahnen markieren die Standorte, Solarmodule versorgen die Antennen mit Strom. © RNO-G/ Cosmin Deaconu

Teilchenjagd mal anders: Auf Grönland soll künftig ein neuartiger Detektor kosmische Neutrinos nachweisen – extrem energiereiche, aber schwer fassbare Elementarteilchen. Anders als bisherige Detektoren tut er dies, indem er die schwachen Radiowellen einfängt, die bei Kollisionen der Neutrinos mit den Atomen des Eises freiwerden. Auch der IceCube-Detektor in der Antarktis soll schon bald mit solchen Neutrino-Antennen nachgerüstet werden.

Neutrinos sind nahezu masselos und interagieren nur selten mit Materie. Entsprechend schwer ist es, diese in der Sonne, bei radioaktiven Zerfällen oder beim Verschlingen von Materie durch ein Schwarzes Loch freigesetzten „Geisterteilchen“ zu detektieren. Bisher nutzen Neutrino-Detektoren meist Photosensoren, die die schwachen, bei der Kollision des Teilchens mit einem Atom freiwerdenden Lichtblitze einfangen. Die Sensoren umringen entweder große Flüssigkeitstanks oder sind im Eis der Antarktis oder am Grund des Mittelmeeres installiert.

Radiowellen statt Lichtblitze

Das Problem: Für den Nachweis der seltenen, extrem energiereichen kosmischen Neutrinos sind die bisherigen Neutrino-Observatorien nicht groß genug. Gerade diese hochenergetischen Teilchen sind jedoch für die Wissenschaft besonders spannend: „Diese Eigenschaft macht sie interessant für die Astrophysik, weil sich mit ihnen beispielsweise auch ins Innere explodierender Sonnen oder in verschmelzende Neutronensterne blicken lässt, woher kein Licht zu uns gelangen kann“, erklärt Anna Nelles vom Deutschen Elektronensynchrotron DEY.

Um speziell diese Neutrinos künftig einzufangen, wird zurzeit auf Grönland ein neuartiges Neutrino-Observatorium aufgebaut – das Radio Neutrino Observatory Greenland (RNO-G). Es detektiert die kosmischen Teilchen nicht über das bei Atomkollisionen entstehende Licht, sondern über Radiowellen. Diese entstehen, weil die Kollision des Neutrinos eine Lawine von Sekundärteilchen verursacht, von denen viele elektrisch geladen sind. Ihre Interaktionen geben Radiostrahlung ab, die von hochsensiblen Antennen aufgefangen werden können.

Installation auf dem grönländischen Eisschild

Die ersten Antennen für das Pionier-Projekt „Radio Neutrino Observatory Greenland“ (RNO-G) wurden jetzt auf dem höchsten Punkt des grönländischen Eisschilds nahe der „Summit Station“ im Eis und auf dem Eis installiert. „Der Vorteil von Radiowellen ist, dass Eis für sie ziemlich durchsichtig ist“, erläutert Nelles‘ Kollege Christoph Welling. „Das heißt, wir können Radiosignale über Distanzen von einigen Kilometern detektieren.“

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Dadurch kann der Radiodetektor schon mit vergleichsweise wenigen Antennen eine große Eisfläche überwachen. Insgesamt 35 Antennenstationen sollen für das RNO-G mit einem Abstand von je 1,25 Kilometern rund um die Summit Station auf dem Eis installiert werden. Der Aufbau soll Im August beendet sein. Die Stationen funktionieren autonom, werden über Solarzellen mit Strom versorgt und sind per Mobilfunk untereinander vernetzt.

Optimale Ergänzung zu IceCube und Co

RNO-G wird der erste Radio-Neutrinodetektor im großen Maßstab sein. Zuvor hatten kleinere Versuche bereits gezeigt, dass der Nachweis kosmischer Teilchen über Radiowellen grundsätzlich möglich ist. Ist der neue Detektor fertig, kann er selbst „Geisterteilchen“ mit der enormen Energie von rund zehn Billiarden bis zu hundert Trillionen Elektronenvolt nachweisen.

Damit ist er eine optimale Ergänzung zum optischen Neutrinodetektor IceCube am Südpol, der bei weit niedrigeren Energien einsetzt, aber nur bis wenige Billarden Elektronenvolt hinaufreicht. „Der Nachweis der Radiosignale von hochenergetischen Neutrinos ist ein sehr vielversprechender Weg, den zugänglichen Energiebereich deutlich zu vergrößern und damit das neue Fenster zum Kosmos noch weiter zu öffnen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann.

Erweist sich das Radio Neutrino Observatory Greenland als funktionsfähig, soll am buchstäblich anderen Ende der Welt ein zweites Radio-Neutrino-Observatorium folgen: Im Rahmen des Ausbaus zur Generation 2 (IceCube-Gen2) soll dann der Ice-Cube-Detektor am Südpol um Radioantennen ergänzt werden.

Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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