Uli Blumenthal: Nach sechs Jahren Bauzeit wurde am Wochenende das Neutrinoteleskop IceCube fertiggestellt - der größte Teilchendetektor der Welt besteht aus einem Kubik-Kilometer Eis, tief am geografischen Südpol, und sucht mit über 5000 Fotosensoren nach Spuren der sogenannten Geisterteilchen. Einer der stellvertretenden Direktoren ist Albrecht Karle, Physikprofessor an der University of Wisconsin. Mit ihm habe ich heute Nacht - der Zeitunterschied zur Stadion am Südpol beträgt plus zwölf Stunden - via Satellitentelefon über IceCube gesprochen und ihn zunächst gefragt, wo genau er sich selbst befindet.
Albrecht Karle: Wir befinden uns hier direkt am geografischen Südpol. Wenn ich hier aus dem Fenster schaue, aus dem Fenster der Südpolstation, dann sehe ich den Südpol... direkt, also wo Amundsen vor 99 Jahren ankam. Die Station ist also in der Mitte der Antarktis mehr oder weniger. Da ist also 1000 Kilometer Eis in jede Richtung.
Blumenthal: Der Grund für unser Interview ist, dass der letzte Sensor bei IceCube installiert worden ist. IceCube ist das weltweit größte Neutrinoteleskop. Sie sind einer der stellvertretenden Direktoren, können Sie uns beschreiben, was wir uns unter IceCube, unter einem Eiswürfel am Südpol als Neutrinoteleskop vorstellen müssen?
Karle: Die Station hier am Südpol befindet sich 2800 Meter über dem Bedrock, also Festland. Und wir sehen hier auf 2800 Meter Eis. IceCube ist ein Kubik-Kilometer Eis, das wir instrumentiert haben mit hochempfindlichen Lichtsensoren - insgesamt mehr als 5000. Die Lichtsensoren haben ungefähr 30 Zentimeter Durchmesser, die können einzelne Photonen messen und sind auf 86 Strings, also Kabel, verteilt in diesem - an der Oberfläche ist es ein Quadratkilometer. Und es ist also dieser Würfel, und alle diese Sensoren sind zusammengeschaltet in einem zentralem Computer und was der IceCube macht: Wenn kosmische Teilchen, speziell Neutrinos, durch die Erde gehen und dann gelegentlich durch IceCube, dann machen sie eine Wechselwirkung und produzieren sekundäre Teilchen. Und diese sekundären Teilchen machen einen Lichtblitz, ein Lichtsignal - und das messen wir. Und damit können wir die Richtung der kosmischen Neutrinos bestimmen mit einer hohen Genauigkeit und können auf diese Weise eine neue Art von Astronomie durchführen.
Blumenthal: Diese Detektoren, von denen Sie gesprochen haben, befinden sich ja in 1400 bis 2400 Metern Tiefe. Warum ist IceCube so tief im Antarktischen Eis?
Karle: Da gibt es zwei Gründe: Einer ist, dass das Eis erst unterhalb von 1400 Metern komplett transparent ist. Das müssen Sie sich so vorstellen wie das klarste Wasser. Also es ist wie das klarste Medium, das man herstellen kann und das es überhaupt gibt auf der Erde. Wenn Sie da einen Lichtblitz machen mit einer LED, einer Leuchtdiode, von nur einer zehn Milliardstel Sekunde, dann sehen wir den in einem halben Kilometer Entfernung durch massives Eis. Das ist der Hauptgrund, warum es so tief sein muss. Es hat auch noch einen anderen Vorteil, dass wir dann weniger kosmische Strahlung von der Atmosphäre haben ...
Blumenthal: Sie haben schon angesprochen, dass Sie 86 Röhren in das Eis des Südpols gebohrt haben. Wie bohrt man 86 Röhren bis 2400 Meter tief? Hat man da ein riesiges Bohrgestänge? Womit haben Sie gearbeitet?
Karle: Die Bohrmaschine ist eine Heißwasser-Bohrmaschine. Da wird also Heißwasser hergestellt mit 90 Grad Celsius und das wird dann in einem Strahl über einen langen Schlauch, der ungefähr sechs Zentimeter Durchmesser hat, mit einem Druck von ungefähr 80 Bar und 1000 Liter pro Minute, wird dort ein Loch geschmolzen in das Eis. Es gibt kein Bohrgestänge als solches. Es wird nur ein Schlauch und ein Kabel - da wird dieser Bohrkopf runtergelassen und der schmilzt sich dann bis auf 2500 Meter, bohrt ein Loch mit einem Durchmesser von ungefähr 50 oder 60 Zentimetern - und das in einer Geschwindigkeit von weniger als 24 Stunden. Man muss sich das so vorstellen, dass dieses Bohrloch dann immer mit Wasser gefüllt ist, so dass es nur zirkuliert. Am Ende hat man ein wassergefülltes Bohrloch, was dann einige Tage dauert bis das wieder zugefroren ist.
Blumenthal: Diese 86 Bohrlöcher - über 5000 Fotosensoren, das macht 64 Sensoren pro Bohrloch, die so groß sind wie Medizinbälle: Wie funktioniert dieses System? Wie misst man mit einem solchen Neutrinoteleskop dann Neutrinos? Was kriegen Sie rein? Welche Ergebnisse bekommen Sie, welche Signale bekommen Sie?
Karle: Wenn also jetzt das Bohrloch, gefüllt mit Wasser, ... versenken wir Sensoren darin ... und die Sensoren frieren dann ein im Eis. Und die Signale, die wir messen, sind dann diese Lichtsignale von den kosmischen Teilchen. Wenn wir uns ... Teilchen vorstellen, also Teilchen mit einer Energie, die weitaus höher ist als was wir von Teilchenbeschleunigern auf der Erde herstellen können, zum Beispiel am CERN, am LHC oder am Fermilab - die Energie dieser Teilchen ist also wesentlich höher und die produzieren eine ganze Menge Licht, wenn sie durch IceCube durchfliegen. Und auf diese Weise messen wir, welche Teilchen es sind. Also zum Beispiel Myon oder Elektron. Und wir messen die Richtung und die Energie dieser Teilchen. Das ist also eine Mischung zwischen Teilchenphysik und Astrophysik und deshalb spricht man von dem Gebiet Astroteilchenphysik, wo wir also ein neues Teilchenteleskop haben, mit dem wir ins Universum schauen können.
Blumenthal: Der letzte Sensor ist jetzt vor einem Tag installiert worden. Wann beginnen die Messungen mit IceCube, wann werden Sie das erste Neutrino nachgewiesen haben?
Karle: Erst in den letzen sieben Jahren wurde hier am Südpol Konstruktion durchgeführt. Und wie Sie sagen, ja gerade gestern haben wir den letzten Sensor versenkt. Und wir werden Daten nehmen, jetzt im Januar werden den Commissioning Process durchführen, also wir praktizieren, dass die Instrumente alle funktionieren. Und dann dauert es noch ein paar Monate, bis wir alle die Datenreduktionsalgorithmen implementiert haben, so dass wir dann die reduzierte Datenmenge über Satellit an die Labors im Norden, in den USA und in Europa schicken können.
Blumenthal: Herr Karle, was ist der Vorteil, was ist der Vorzug eines Neutrinoteleskops am Südpol? Es gibt ja diverse Experimente, die auf der Suche nach Neutrinos sind. Was macht IceCube so einmalig?
Karle: Bisherige Neutrino-Experimente, von denen man vielleicht gehört hat, arbeiten bei niedrigeren Energien. Die haben sich konzentriert auf atmosphärische Neutrinos, die von kosmischer Strahlung in der Atmosphäre produziert werden oder von Neutrinos von der Sonne, zum Beispiel Superkamiokande oder auch ... Experimente, die Neutrinos messen können. IceCube arbeitet bei wesentlich höheren Energien, denn wir wollen nach kosmischen Neutrinos suchen. Das heißt, wir messen die Ankunftsrichtungen von Neutrinos über alle Richtungen am Himmel und wir suchen dann nach Quellen von kosmischer Strahlung, ... keine vorstellen. Also eine Himmelskarte, wo wir die ganzen Ankunftsrichtungen von Neutrinos eintragen und dann suchen wir nach bestimmten Quellen, nach aktiven Galaxien mit einem supermassiven Schwarzen Loch zum Beispiel ... oder eben unbekannte Quellen von kosmischer Strahlung und Neutrinostrahlung. Und die Flüsse sind so gering, dass man ein sehr großes Experiment braucht und das kann man dann nicht mehr in einem Tunnel oder in einem Untergrundlabor bauen, weil ein Kubik-Kilometer ist natürlich wesentlich zu viel. Deshalb braucht man ein natürliches Medium, zum Beispiel den Ozean oder das Eis hier am Südpol. Und wir haben das Eis gewählt, was zuerst vielleicht wie eine verrückte Idee aussah. Und die ersten Daten zeigen das schon, dass IceCube hervorragend funktioniert - und das ist, was bei IceCube anders ist als bei bisherigen Experimenten.
Blumenthal: Das war via Satellitentelefon Albrecht Karle, Physikprofessor, über das am Wochenende fertiggestellte Neutrinoteleskop IceCube am Südpol.
Links zum Thema:
Homepage von Professor Karle
Informationen der Uni Erlangen über die Neutrinooszillation
Beiträge in "Forschung Aktuell"
Eiswürfel mit Weitblick
Neutrino-Revolver
Albrecht Karle: Wir befinden uns hier direkt am geografischen Südpol. Wenn ich hier aus dem Fenster schaue, aus dem Fenster der Südpolstation, dann sehe ich den Südpol... direkt, also wo Amundsen vor 99 Jahren ankam. Die Station ist also in der Mitte der Antarktis mehr oder weniger. Da ist also 1000 Kilometer Eis in jede Richtung.
Blumenthal: Der Grund für unser Interview ist, dass der letzte Sensor bei IceCube installiert worden ist. IceCube ist das weltweit größte Neutrinoteleskop. Sie sind einer der stellvertretenden Direktoren, können Sie uns beschreiben, was wir uns unter IceCube, unter einem Eiswürfel am Südpol als Neutrinoteleskop vorstellen müssen?
Karle: Die Station hier am Südpol befindet sich 2800 Meter über dem Bedrock, also Festland. Und wir sehen hier auf 2800 Meter Eis. IceCube ist ein Kubik-Kilometer Eis, das wir instrumentiert haben mit hochempfindlichen Lichtsensoren - insgesamt mehr als 5000. Die Lichtsensoren haben ungefähr 30 Zentimeter Durchmesser, die können einzelne Photonen messen und sind auf 86 Strings, also Kabel, verteilt in diesem - an der Oberfläche ist es ein Quadratkilometer. Und es ist also dieser Würfel, und alle diese Sensoren sind zusammengeschaltet in einem zentralem Computer und was der IceCube macht: Wenn kosmische Teilchen, speziell Neutrinos, durch die Erde gehen und dann gelegentlich durch IceCube, dann machen sie eine Wechselwirkung und produzieren sekundäre Teilchen. Und diese sekundären Teilchen machen einen Lichtblitz, ein Lichtsignal - und das messen wir. Und damit können wir die Richtung der kosmischen Neutrinos bestimmen mit einer hohen Genauigkeit und können auf diese Weise eine neue Art von Astronomie durchführen.
Blumenthal: Diese Detektoren, von denen Sie gesprochen haben, befinden sich ja in 1400 bis 2400 Metern Tiefe. Warum ist IceCube so tief im Antarktischen Eis?
Karle: Da gibt es zwei Gründe: Einer ist, dass das Eis erst unterhalb von 1400 Metern komplett transparent ist. Das müssen Sie sich so vorstellen wie das klarste Wasser. Also es ist wie das klarste Medium, das man herstellen kann und das es überhaupt gibt auf der Erde. Wenn Sie da einen Lichtblitz machen mit einer LED, einer Leuchtdiode, von nur einer zehn Milliardstel Sekunde, dann sehen wir den in einem halben Kilometer Entfernung durch massives Eis. Das ist der Hauptgrund, warum es so tief sein muss. Es hat auch noch einen anderen Vorteil, dass wir dann weniger kosmische Strahlung von der Atmosphäre haben ...
Blumenthal: Sie haben schon angesprochen, dass Sie 86 Röhren in das Eis des Südpols gebohrt haben. Wie bohrt man 86 Röhren bis 2400 Meter tief? Hat man da ein riesiges Bohrgestänge? Womit haben Sie gearbeitet?
Karle: Die Bohrmaschine ist eine Heißwasser-Bohrmaschine. Da wird also Heißwasser hergestellt mit 90 Grad Celsius und das wird dann in einem Strahl über einen langen Schlauch, der ungefähr sechs Zentimeter Durchmesser hat, mit einem Druck von ungefähr 80 Bar und 1000 Liter pro Minute, wird dort ein Loch geschmolzen in das Eis. Es gibt kein Bohrgestänge als solches. Es wird nur ein Schlauch und ein Kabel - da wird dieser Bohrkopf runtergelassen und der schmilzt sich dann bis auf 2500 Meter, bohrt ein Loch mit einem Durchmesser von ungefähr 50 oder 60 Zentimetern - und das in einer Geschwindigkeit von weniger als 24 Stunden. Man muss sich das so vorstellen, dass dieses Bohrloch dann immer mit Wasser gefüllt ist, so dass es nur zirkuliert. Am Ende hat man ein wassergefülltes Bohrloch, was dann einige Tage dauert bis das wieder zugefroren ist.
Blumenthal: Diese 86 Bohrlöcher - über 5000 Fotosensoren, das macht 64 Sensoren pro Bohrloch, die so groß sind wie Medizinbälle: Wie funktioniert dieses System? Wie misst man mit einem solchen Neutrinoteleskop dann Neutrinos? Was kriegen Sie rein? Welche Ergebnisse bekommen Sie, welche Signale bekommen Sie?
Karle: Wenn also jetzt das Bohrloch, gefüllt mit Wasser, ... versenken wir Sensoren darin ... und die Sensoren frieren dann ein im Eis. Und die Signale, die wir messen, sind dann diese Lichtsignale von den kosmischen Teilchen. Wenn wir uns ... Teilchen vorstellen, also Teilchen mit einer Energie, die weitaus höher ist als was wir von Teilchenbeschleunigern auf der Erde herstellen können, zum Beispiel am CERN, am LHC oder am Fermilab - die Energie dieser Teilchen ist also wesentlich höher und die produzieren eine ganze Menge Licht, wenn sie durch IceCube durchfliegen. Und auf diese Weise messen wir, welche Teilchen es sind. Also zum Beispiel Myon oder Elektron. Und wir messen die Richtung und die Energie dieser Teilchen. Das ist also eine Mischung zwischen Teilchenphysik und Astrophysik und deshalb spricht man von dem Gebiet Astroteilchenphysik, wo wir also ein neues Teilchenteleskop haben, mit dem wir ins Universum schauen können.
Blumenthal: Der letzte Sensor ist jetzt vor einem Tag installiert worden. Wann beginnen die Messungen mit IceCube, wann werden Sie das erste Neutrino nachgewiesen haben?
Karle: Erst in den letzen sieben Jahren wurde hier am Südpol Konstruktion durchgeführt. Und wie Sie sagen, ja gerade gestern haben wir den letzten Sensor versenkt. Und wir werden Daten nehmen, jetzt im Januar werden den Commissioning Process durchführen, also wir praktizieren, dass die Instrumente alle funktionieren. Und dann dauert es noch ein paar Monate, bis wir alle die Datenreduktionsalgorithmen implementiert haben, so dass wir dann die reduzierte Datenmenge über Satellit an die Labors im Norden, in den USA und in Europa schicken können.
Blumenthal: Herr Karle, was ist der Vorteil, was ist der Vorzug eines Neutrinoteleskops am Südpol? Es gibt ja diverse Experimente, die auf der Suche nach Neutrinos sind. Was macht IceCube so einmalig?
Karle: Bisherige Neutrino-Experimente, von denen man vielleicht gehört hat, arbeiten bei niedrigeren Energien. Die haben sich konzentriert auf atmosphärische Neutrinos, die von kosmischer Strahlung in der Atmosphäre produziert werden oder von Neutrinos von der Sonne, zum Beispiel Superkamiokande oder auch ... Experimente, die Neutrinos messen können. IceCube arbeitet bei wesentlich höheren Energien, denn wir wollen nach kosmischen Neutrinos suchen. Das heißt, wir messen die Ankunftsrichtungen von Neutrinos über alle Richtungen am Himmel und wir suchen dann nach Quellen von kosmischer Strahlung, ... keine vorstellen. Also eine Himmelskarte, wo wir die ganzen Ankunftsrichtungen von Neutrinos eintragen und dann suchen wir nach bestimmten Quellen, nach aktiven Galaxien mit einem supermassiven Schwarzen Loch zum Beispiel ... oder eben unbekannte Quellen von kosmischer Strahlung und Neutrinostrahlung. Und die Flüsse sind so gering, dass man ein sehr großes Experiment braucht und das kann man dann nicht mehr in einem Tunnel oder in einem Untergrundlabor bauen, weil ein Kubik-Kilometer ist natürlich wesentlich zu viel. Deshalb braucht man ein natürliches Medium, zum Beispiel den Ozean oder das Eis hier am Südpol. Und wir haben das Eis gewählt, was zuerst vielleicht wie eine verrückte Idee aussah. Und die ersten Daten zeigen das schon, dass IceCube hervorragend funktioniert - und das ist, was bei IceCube anders ist als bei bisherigen Experimenten.
Blumenthal: Das war via Satellitentelefon Albrecht Karle, Physikprofessor, über das am Wochenende fertiggestellte Neutrinoteleskop IceCube am Südpol.
Links zum Thema:
Homepage von Professor Karle
Informationen der Uni Erlangen über die Neutrinooszillation
Beiträge in "Forschung Aktuell"
Eiswürfel mit Weitblick
Neutrino-Revolver