Nobelpreis Physik: Den kosmischen Geisterteilchen auf der Spur

Es war, als hätte sich 2010 am Südpol ein neues Fenster in die Tiefen des Universums geöffnet. Zusammen mit Hunderten Kollegen weltweit hat Francis Halzen dort ein Teleskop der ganz anderen Art errichtet. Mit diesem suchen die Wissenschaftler nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos, auch Geisterteilchen genannt.

Diese Boten aus dem fernen Weltraum machen Unsichtbares sichtbar. Sie erzählen Geschichten von extrem energiereichen Prozessen im Universum: von riesigen Schwarzen Löchern etwa, sogenannten Blazaren, die aktiv Materie verschlingen, oder von Sternenexplosionen, auch Supernovae genannt.

Für diese völlig neue Möglichkeit, den Weltraum zu erforschen, erhält am Dienstag der belgisch-amerikanische Astrophysiker Francis Halzen den Nobelpreis für Physik, dotiert mit 12 Millionen schwedischen Kronen, umgerechnet etwa eine Million Euro. Damit ist es der fünfte Nobelpreis, der an die Forschung zu Neutrinos vergeben wurde.

Ihre Existenz fasziniert die Forschung und stellt sie gleichzeitig wieder und wieder vor gigantische Rätsel. Anders als bei anderen Elementarteilchen weiß man nur wenig über sie. Zumal sie schwer nachzuweisen sind und sich damit tatsächlich fast wie Geister verhalten. Doch sie sind überall. Pro Sekunde strömen Milliarden von Neutrinos nicht nur durch das Weltall, sondern auch durch unsere Körper, sie umgeben und durchdringen uns und auch die Erde – völlig unbemerkt. Denn sie haben kaum Masse, keine Ladung und interagieren nur ganz selten mit Materie.

Die Geisterteilchen entstehen bei energiereichen Prozessen im Kosmos. Ein Beispiel dafür ist die Kernfusion in der Sonne, bei der neben Licht immer auch Neutrinos entstehen.

Bei Sternexplosionen und Schwarzen Löcher entstehen noch viel energetischere Neutrinos. Weil Neutrinos nicht mit Materie kollidieren und dadurch abgelenkt oder gestreut werden, verlieren sie keine Informationen auf ihrer Reise. Wenn man sie misst, kommen sie quasi unverfälscht nach Milliarden Lichtjahren auf ihrer Reise durchs Universum auf der Erde an. Dadurch können Forschende eindeutig ihren Ursprungsort rückverfolgen und auch die Prozesse, während derer sie entstanden sind.

Das Problem ist nur: Die hochenergetischen Geisterteilchen sind selten – wie aber findet man sie dann?

Um sie zu detektieren, hat Francis Halzen ein Teleskop der anderen Art gebaut. Die Vision dafür hatte er bereits 1988. Das Teleskop hat keine Radioantennen, ist nicht mal in den Himmel gerichtet, und heißt IceCube. Drei Kilometer tief unter der Eisdecke eingelassen, besteht es aus Tausenden Lichtsensoren, die einen riesigen Raum von rund einem Kubikkilometer überwachen, in der Hoffnung, darin eines der seltenen hochenergetischen Teilchen zu finden.

Tief unter dem Eis gibt es nur wenige Störsignale. Zeitgleich wirkt die Erde selbst fast wie ein gigantischer Schutzschild, durch das Neutrinos problemlos hindurchfliegen können, andere Teilchen aber aufgehalten werden. Wenn ein Neutrino auf einen Atomkern trifft, erzeugt es einen sogenannten Myonen-Lichtblitz. Den können die Forschenden im Eis messen und so nachverfolgen, von wo das Neutrino kam. Um die Wahrscheinlichkeit für das seltene Ereignis zu erhöhen, ist der Messraum so groß.

2011 war der Bau beendet und schon bald darauf konnten die Forschenden erste Neutrinos nachweisen, die weit weg in unserem Sonnensystem entstanden sein müssen. 2017 konnte IceCube erstmals Neutrinos detektieren, die vermutlich aus einer fernen Galaxie stammen.

Das Projekt geht weit über eine Person hinaus. Ähnlich wie beim Teilchenbeschleuniger CERN steht hinter IceCube ein internationaler Forschungsverbund. Über 450 Menschen aus 14 Ländern und 58 Instituten forschen mit dem Eisteleskop.

Trotzdem: „Francis Halzen ist die Seele von IceCube“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Experimentalphysik mit kosmischer Strahlung an der Technischen Universität München und Mitarbeiterin des internationalen Projekts. Halzen habe sie im Jahr 2000 für IceCube rekrutiert und viele der jüngeren Generation hinzugeholt. Zumal habe er die Forschenden immer wieder zusammengehalten. Wer zu Neutrinos arbeitet, sei immer mal wieder frustriert. Denn vieles weiß man über sie eben noch nicht und immer wieder müssen neue Methoden, Verfahren und Berechnungen erst erfunden werden.

Mittlerweile arbeiten Halzen und andere Forschende an neuen Standorten für weitere Teleskope, sozusagen Spin-offs von IceCube. Wichtig sei, dass die Teleskope an Orten gebaut werden, die relativ ungestört sind und ein großes Volumen aus durchsichtigem Material haben, sagt Resconi. Ein Ort dafür ist etwa der Pazifische Ozean. Den Bau plant Resconi, sie schiebt das Projekt P-One an, kurz für Pacific Ocean Neutrino Experiment. Vielleicht ein neues Fenster, durch das die Forschenden bald blicken können.