Physik-Nobelpreis 2026 | Nobelpreis für Neutrino-Observatorium

Der größte Teil des IceCube-Neutrino-Observatoriums liegt in der Tiefe des Antarktis-Eises. Foto: dpa/NSF/IceCube/Martin Wolf Neutrinos sind neutral geladene Elementarteilchen, die zu den am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum gehören. Sie entstehen, wenn fundamentale Teilchen wie Protonen, Elektronen oder Photonen miteinander wechselwirken, unter anderem bei der Kernfusion im Inneren der Sonne oder in der Erdatmosphäre, wenn kosmische Strahlung mit Luftmolekülen kollidiert. Sie können allerdings auch in der Umgebung von Schwarzen Löchern entstehen. Jede Sekunde rasen Abermilliarden Neutrinos durch die Erde hindurch, ohne eine Spur zu hinterlassen.

Den diesjährigen Nobelpreis für Physik erhält der Belgier Francis Halzen, Professor an der University of Wisconsin in Madison. Die Akademie würdigt seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems stammen.

Damit wurde die Erforschung von Neutrinos bereits zum fünften Mal mit dem Nobelpreis geehrt. Ihre Geschichte beginnt vor knapp einhundert Jahren, als der österreichische Physiker Wolfgang Pauli im Jahr 1930 ein neues, elektrisch neutrales Teilchen voraussagt. Zu seiner Theorie soll er bemerkt haben, dass er etwas Schreckliches getan habe, denn er habe ein Teilchen postuliert, das sich nicht nachweisen lasse. Wegen seiner neutralen Ladung und seiner verschwindend geringen Masse interagiert ein Neutrino nur äußerst selten mit Materie. Das macht Messungen sehr aufwendig und Wissenschaftler gaben den Teilchen den Beinamen Geisterteilchen.

Erst 1956 gelang Clyde Cowan und Frederick Reines an einem Kernreaktor der experimentelle Beweis für die Existenz von Neutrinos.

Der Detektor ist einen Kubikkilometer groß und registriert im Schnitt ein Neutrino pro Tag.

Schon bald darauf erkannten Physiker, dass das Neutrino ein ideales Instrument in der Astronomie sein könnte. Denn aus dem zurückgelegten Weg eines Neutrinos lassen sich Rückschlüsse über seinen Entstehungsort ableiten. Neben den bereits bekannten Neutrinoquellen vermuten Wissenschaftler auch sogenannte kosmische Beschleuniger wie supermassereiche schwarze Löcher als Entstehungsorte für Neutrinos, die weit außerhalb unseres Sonnensystems extreme Energien in Form von Strahlung ins All schleudern.

Ihre Strahlung besteht aus Teilchen wie Protonen oder Neutrinos oder aus hochenergetischer Gammastrahlung. Protonen werden aufgrund ihrer elektrischen Ladung aber auf ihrem Weg von Magnetfeldern abgelenkt, sodass ihre Bahn nicht mehr zur Quelle zurückweist. Gammastrahlen wiederum können unterwegs von Staub oder Strahlung absorbiert werden. Daher lassen sich nur aus den Neutrinos Informationen über die kosmischen Beschleuniger ableiten. Da Neutrinos nicht geladen sind und nur äußerst selten mit Materie wechselwirken, durchqueren sie Medien fast immer ungestört, sodass sie bei einer Messung auf ihren Ursprung zurück zeigen. Das ermöglicht Astronomie, die ohne Licht auskommt, auf Basis von Neutrinostrahlung.

Die Messung extragalaktischer Neutrinos ist zusätzlich erschwert durch ihre hohen Energien. Sie tragen rund eine Milliarde Mal mehr Energie als Neutrinos aus der Sonne oder der Erdatmosphäre und sind entsprechend seltener. Der von Halzen entwickelte Detektor am IceCube-Neutrino-Observatorium ist daher einen Kubikkilometer groß und registriert im Schnitt nur ein Neutrino pro Tag.

Erstmals schlug Halzen seinen Neutrino-Detektor 1988 vor. Der Detektor nutzt Eis am Südpol als Nachweismedium. Er liegt etwa zwei Kilometer unter der Oberfläche. Wenn Neutrinos mit den Bestandteilen des Eises reagieren, entstehen weitere Elementarteilchen (Elektronen, Myonen, Tauonen). Diese wiederum senden beim Durchqueren des Eises elektromagnetische Strahlung aus. Die sogenannte Tscherenkow-Strahlung wird mit hochsensiblen Sensoren gemessen, die sich in Bohrlöchern befinden. Aus der Lichtspur lassen sich die Flugbahn und damit die Herkunftsrichtung der Neutrinos rekonstruieren.

Rund 20 Jahre nach der Erstveröffentlichung des Konzepts ging im Jahr 2011 das IceCube-Neutrino-Observatorium in Betrieb und nur zwei Jahre nach Beginn der Messungen zeigten sich die ersten Hinweise auf hochenergetische Neutrinos. Als Vorläufer startete in den 1990er Jahren schon das AMANDA-Projekt (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array). Damit bewiesen die Wissenschaftler, dass hochenergetische Neutrinos anhand von Tscherenkow-Strahlung messbar sind. Mittlerweile ist Halzens Forschungsprojekt IceCube zu einer großen internationalen Kollaboration angewachsen, der inzwischen mehr als 450 Menschen aus 14 Ländern angehören. Auch aus Deutschland kommen entscheidende Beiträge aus insgesamt elf Instituten.

Wie extrem die hochenergetischen Neutrinos sind, zeigt ein Vergleich mit dem Large Hadron Collider am Cern, dem stärksten Beschleuniger der Welt. Dieser arbeitet mit Teilchen mit Energien im Bereich von Tera-Elektronenvolt, also 10¹² Elektronenvolt. Manche der in IceCube registrierten Neutrinos tragen mindestens tausendmal mehr Energie. Dass diese Neutrinos tatsächlich aus dem All stammen, belegt die Anzahl der gemessenen hochenergetischen Neutrinos. Denn diese ist für lediglich aus unserem Sonnensystem stammende Neutrinostrahlung zu hoch und lässt sich nur mit Neutrinoquellen außerhalb unseres Sonnensystems erklären. Eine einzelne Quelle ist damit allerdings noch nicht dingfest gemacht. Rund zehn Prozent der Neutrinos stammen aus der Milchstraße, der Rest der gemessenen Neutrinos stammt von fremden Galaxien. Welche kosmischen Objekte sich hinter den Neutrinoquellen letztendlich verbergen, ist ebenfalls noch ungewiss. Als aussichtsreichste Kandidaten gelten supermassereiche Schwarze Löcher. Dabei »leuchten« die extragalaktischen Quellen am Neutrino-Himmel so hell, dass sie die der Milchstraße überstrahlen. Der Nachweis, dass hochenergetische Neutrinos auch innerhalb unserer Galaxie entstehen, gehört zu den jüngsten Ergebnissen des IceCube Neutrino Observatory.

Der Laureat selbst zeigte sich am Telefon überrascht. Die Nachricht erreichte ihn in Italien, wo er zu einer Komiteesitzung unterwegs war. Aktuell arbeite er an einem Antrag und er hoffe, dass dieser durch den Nobelpreis genehmigt werde. Halzen betont auch, dass er großes Glück gehabt habe. Viele seiner Kollegen hätten die Idee eines Neutrino-Detektors im Polareis zwar für gut, aber kaum jemand für machbar gehalten, er selbst eingeschlossen. Das größte Risiko sei gewesen, dass niemand wusste, ob ein Kubikkilometer überhaupt groß genug sei. Halzen sagt weiter, dass der Preis auch auf die mutigen Mitstreiter der ersten Stunde zurückfalle und dass das Projekt ohne die kritischen Einwände seiner Kollegen niemals hätte realisiert werden können.

Der Preis für Halzen und sein IceCube-Neutrino-Observatorium ist ein Plädoyer für Grundlagenforschung und dafür, dass Wissenschaft nicht immer eine Anwendung braucht. Ebenso wichtig ist Forschung auf Basis von Neugier und Erkenntnis, um unsere Welt, die Natur und ihre Gesetze weiter zu entschlüsseln. Wohin das Wissen über Neutrinos führt, müssen künftige Generationen von Forschern entscheiden. Denn die eigentliche Astronomie, sagt Halzen, stehe erst noch bevor. Das Observatorium soll ausgebaut und sein Volumen auf acht Kubikkilometer erweitert werden. Bis 2032 soll die nächste Generation fertiggestellt werden. Wer weiß also, was wir in den nächsten Jahren über Neutrinos noch in Erfahrung bringen werden.

Francis Halzen wurde 1944 in Belgien geboren. Er ist Professor für Physik an der University of Wisconsin-Madison in den USA und hat die wissenschaftliche Leitung am IceCube-Neutrino-Observatorium inne.

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