ICECUBE
Neutrino-Observatorium am Südpol mit neuen Sensoren
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY
astronews.com
417. Februar 2026

Während des Sommers in der Antarktis hat ein 51-köpfiges Team das Neutrino-Observatorium IceCube mit neuen empfindlicheren Sensoren ausgestattet. Mit ihnen sollen sich künftig Neutrinos mit niedrigerer Energie deutlich besser nachweisen lassen. Das Upgrade ist auch ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur nächsten Generation des Neutrino-Observatoriums.

Blick in das Loch eines Sensoren-Strings während der Bereitstellung eines mDOM. Foto: Yuya Makino / IceCube NSF [Großansicht]

Im Eis der Antarktis stecken neue Augen: Ein internationales Team hat gerade rund 670 Sensoren für IceCube, das Neutrino-Observatorium am Südpol, installiert. Die Entwicklung dieser Sensoren war eine Gemeinschaftsarbeit von DESY, der Universität Münster, der RWTH Aachen, der Universität Wuppertal, der Universität Mainz, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der TU Dortmund und dem Karlsruher Institut für Technologie. DESY hat rund 230 der endgültigen Detektoren gebaut. Zusammen mit anderen Komponenten werden die neuen Komponenten des IceCube-Upgrades dazu beitragen, dass der Detektor Neutrinos mit niedrigerer Energie deutlich besser nachweisen kann. Sie sind ein Meilenstein auf dem Weg zur zukünftigen IceCube-Gen2-Anlage.

Die in Deutschland entwickelten neuen Sensoren heißen mDOMs (multi-PMT digital optical modules) und sind jeweils etwas größer als ein Basketball. Sie sind wie Perlen an einer Halskette an einem langen Kabel – einem sogenannten "String" – miteinander verbunden. Diese Strings, die jeweils aus mehr als 100 Bauelementen bestehen, darunter auch die mDOMs, sind jeweils in einzelnen 2600 Meter tiefen Bohrlöchern im antarktischen Eis versenkt. Dort sollen sie Neutrinos detektieren. Neutrinos entstehen bei verschiedenen Arten von Kernreaktionen. Sie sind nahezu masselos, tragen keine elektrische Ladung und interagieren nur sehr selten mit Materie. In den letzten Jahrzehnten haben Forschende jedoch Wege gefunden, Neutrinos mithilfe von riesigen Mengen dichten Materials – in diesem Fall der Eisschicht der Antarktis – nachzuweisen und so in relativ kurzer Zeit viel über diese Teilchen zu lernen.

Wenn Neutrinos mit Materie interagieren, entsteht ein schwereres Partnerteilchen und ein kurzer Lichtblitz. Mithilfe von Photomultiplierröhren (PMTs) verstärken die Forschenden das Licht zu elektrischen Signalen, die erfasst werden können. Mit dieser Methode haben Neutrino-Observatorien auf der ganzen Welt diese geisterhaften Teilchen zu Boten gemacht, die uns Informationen über weit entfernte Bereiche des Universums liefern. Unter diesen Observatorien hat sich IceCube als einzigartiger Wegbereiter herausgestellt und Entdeckungen gemacht, die nirgendwo sonst gemacht wurden.

Die neu bei IceCube installierten mDOMs, die von DESY und der University of Michigan konstruiert wurden, bestehen aus 24 PMTs, die in alle Richtungen ausgerichtet sind – weit mehr als die ursprünglichen Detektoren, die in den letzten 15 Jahren verwendet wurden. "Der mDOM ist ein unglaublicher Detektor", sagt Marek Kowalski, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor für Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin. "Die 24 PMTs im mDOM helfen dabei, das gesamte Volumen des Eises zu überwachen und die Neutrino-Wechselwirkungen darin zu beobachten. Zusätzlich zu den 24 PMTs enthält der mDOM drei hochauflösende Kameras, mit denen wir tief in das Eis selbst hineinsehen können – in diesen ewigen Gletscher, der etwa hunderttausend Jahre alt ist – und so erfahren, wie das Eis in einer so massiven Struktur wieder gefriert."

Das hilft den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, das Eis, mit dem die Neutrinos interagieren, besser zu charakterisieren. Die neuen Sensoren sind in der Dunkelheit der Eisdecke ständig eingeschaltet und warten auf schwache Lichtsignale aus Neutrino-Materie-Wechselwirkungen. Aber es ist keine leichte Aufgabe, die mDOMs und anderen Komponenten ins Eis zu bringen. Die IceCube-Upgrade-Teams haben auf den antarktischen Sommer gewartet, wenn die Sonne ständig scheint, die Temperaturen etwas höher sind und sie rund um die Uhr an der Installation arbeiten konnten. Bei Temperaturen von -30 °C musste das Team einen 5-Megawatt-Wasserbohrer einsetzen, um 2600 Meter lange Löcher in die Eisdecke zu bohren – ein Vorgang, der zwei Tage dauert. Anschließend führte das Team einen String in das Bohrloch ein.

"Unter diesen Bedingungen muss man schnell arbeiten", sagt Summer Blot, eine DESY-Wissenschaftlerin, die die Qualitätskontrolle und Kalibrierung des mDOM leitete. "Die Oberseite des Bohrlochs gefriert schnell und die gesamte Länge des Bohrlochs verengt sich mit der Zeit, sodass man die Bohrkette so schnell wie möglich hinunterlassen muss. Dann friert das gesamte Loch innerhalb von zwei Wochen zu." Die extremen Bedingungen, denen das Team bei der Installation der Detektorstränge ausgesetzt ist, müssen auch die Detektoren selbst aushalten können. Alle empfindlichen Geräte innerhalb des mDOM – wie die PMTs, die Kameras und andere Elektronik – sind in einem druckfesten Glasbehälter untergebracht, der das wechselnde Drücken des gefrierenden Eises standhalten kann. "Wir haben die Module ausgiebig getestet, um sicherzustellen, dass jedes einzelne den extremen Bedingungen standhalten kann", sagt Blot. Darüber hinaus führten die Teams in Wisconsin Testläufe des Installationsverfahrens durch, um sich auf die eigentliche Installation der Strings vorzubereiten.

Die geplanten sieben Upgrade-Strings bilden den Kern des Detektorkomplexes von IceCube. Sechs davon wurden erfolgreich im Eis installiert. Die Upgrade-Strings befinden sich im Zentrum des Komplexes und werden mehr Details liefern als alle anderen Detektoren der gesamten Reihe. Das ganze Upgrade-Team installierte auch andere wichtige Geräte, wie präzise optische Kalibrierungsgeräte der Technischen Universität München und der Friederich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, akustische Sensoren der RWTH Aachen sowie Prototypen von Detektoren der nächsten Generation, die von der Universitäten Mainz und Wuppertal entwickelt wurden. All dies ist Teil des IceCube-Upgrades, mit dem präzisere Messungen der Eigenschaften von Neutrinos, wie beispielsweise Neutrinooszillationen, möglich werden.

Oszillationen sind ein Phänomen, bei dem sich atmosphärische Neutrinos in verschiedene Typen oder "Flavours" verwandeln können – Elektron, Myon und Tau. Mit den verbesserten Geräten, die im Eis eingesetzt werden, können Forschende das umgebende Eis besser charakterisieren, was zu einer verbesserten Rekonstruktion von Neutrinos und einer Neuauswertung von 15 Jahren archivierter Daten führt. Das IceCube-Upgrade dient auch als Sprungbrett für das nächste große Neutrino-Experiment am Südpol: IceCube-Gen2.

"Mit dem erfolgreichen IceCube-Upgrade haben wir bewiesen, dass wir in der Lage sind, komplexe Geräte im tiefen Eis zu installieren. Darüber hinaus entsprechen die mDOMs im Wesentlichen der Technologie, die auch in IceCube-Gen2 zum Einsatz kommen wird", sagt Kowalski, Vorsitzender des IceCube-Gen2-Kooperationskomitees. IceCube-Gen2 ist die geplante vollständige Modernisierung der Anlage, die inzwischen von der deutschen Bundesregierung als nationales Forschungsschwerpunktprojekt behandelt wird. IceCube-Gen2 wird den bestehenden IceCube-Detektor am Südpol verbessern und ein einzigartiges Neutrino-Observatorium mit einer weltweit führenden Sensitivität über zehn Größenordnungen in der Energie bereitstellen.

Das IceCube-Neutrino-Observatorium ist ein internationales Konsortium unter der Leitung der US-amerikanischen National Science Foundation und der University of Wisconsin–Madison. "Die Entwicklung, Montage und Erprobung der vielfältigen Fotosensoren und Kalibrierungsgeräte in vielen Institutionen und Ländern ist ein Beweis für das kollektive Fachwissen und Engagement, das IceCube so erfolgreich macht", sagt Erin O’Sullivan, Professorin für Physik an der Universität Uppsala und Sprecherin von IceCube.

"Die Beiträge von DESY zu IceCube sind bedeutend – wir möchten sicherstellen, dass diese einzigartige Einrichtung noch mehr exotische Informationen aus Neutrinos gewinnen kann, die so schwer zu erfassen sind" sagt Christian Stegmann, DESY-Direktor für Astroteilchenphysik. "Dank DESYs Expertise in den Bereichen Detektoren, Elektronik und Astroteilchenphysik tragen wir dazu bei, Neutrinos als Botenteilchen zu nutzen, die uns Aufschluss über spannende Objekte in unserem Universum geben", sagt Beate Heinemann, Vorsitzende des DESY-Direktoriums. "Nach dieser Erweiterung wird IceCube neue wissenschaftliche Erkenntnisse liefern, und wir freuen uns darauf, diese Wissenschaft am Südpol mit IceCube-Gen2 noch weiter voranzubringen."