Ice Cube

 Das IceCube-Neutrinoteleskop, das im Dezember 2010 fertig gestellt wurde, befindet sich in der antarktischen Eiskappe in unmittelbarer Nähe des geographischen Südpols. In Tiefen zwischen 1450 m und 2450 m ist ein Netzwerk von 5160 Photodetektoren installiert worden, die das Cherenkovlicht von Myonen und anderen geladenen Teilchen nachweisen. Dabei müssen die neutrinoinduzierten Myonen, Elektronen und Tauonen unterschieden werden von den Myonen aus der kosmischen Strahlung.   

In Zukunft können Neutrinos ein wichtiges Werkzeug der Astrophysik werden. Aufgrund des extrem kleinen Wirkungsquerschnitts verlassen Neutrinos auch kompakte Quellen und liefern Informationen über das Innere. Supernovae, aktive Galaxien und andere kosmische Ereignisse könnten damit untersucht werden. Da Neutrinos elektrisch neutral sind, werden sie nicht von galaktischen oder intergalaktischen Magnetfeldern beeinflusst. Auch interstellare Staubwolken, in denen das Licht absorbiert wird, stellen für Neutrinos kein Hindernis dar. Auch die Physik der Neutrinos und z.B. die dunkle Materie können mit IceCube untersucht werden.     

Da Neutrinos nur äusserst selten mit Materie wechselwirken, wird ein grosses instrumentiertes Detektorvolumen benötigt; im Fall von IceCube beträt dies ungefähr einen Kubikkilometer. Die beste Winkelauflösung lässt sich mit hochenergetischen Myonneutrinos erzielen. Treffen diese auf einen Atomkern im  Eis, werden im Mittel etwa zwei Drittel der Neutrinoenengie auf ein Myon übertragen. Dieses geladene Teilchen bewegen sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Eis und erzeugen dabei einen charakteristischen Lichtkegel (Cherenkovlicht), der sich im klaren Eis ausbreitet und von den Photodetektoren nachgewiesen wird. Die Ankunftszeit der Photonen und die Lichtamplituden gestatten eine Rekonstruktion der Myonrichtung und damit der Neutrinoquelle.   

Die meisten registrierten Ereignisse sind atmosphärische Myonen, die aus Kollisionen von kosmischer Strahlung mit der äusseren Atmosphäre stammen. Um das Experiment gegen diesen Untergrund abzuschirmen, befindet sich der Detektor tief unter der Erdoberfläche. Aber selbst dort ist die Untergrundrate millionenfach grösser als die Rate der atmosphärischen Neutrinos. Aus diesen Grunde dient in die Erde, die einzig von den Neutrinos durchdrungen wird, als Abschirmung; d.h. es werden in der Regel nur Teilchen verwendet, die die Erde durchqueren mussten. Bei sehr hohen Energie ist dieser Untergrund soweit abgeklungen, dass auch Untersuchungen des Südhimmels möglich sind.   

Für Neutrinoteleskope werden grosse Volumina von sauberem, transparentem Detektormaterial benötigt. Dies findet man in der Natur nur in tiefen, klaren Seen (Baikal), in den Meeren (ANTARES) und in den polaren Eiskappen. Eis hat gegenüber Wasser den Vorteil, dass es dort keine Radioaktivität von K40-Zerfällen und keine biologische Aktivität gibt sowie dass die Temperaturen von  -30° bis -50° sehr niedrig sind. Deshalb sind die Rauschraten der Photomultiplier im Eis erheblich geringer als im Wasser. Auch die sehr grossen Absorptionslängen für Photonen und die stabile Oberfläche, auf der der 1 Quadratkilometer Detektor IceTop zum Nachweis der kosmischen Strahlung errichtet wurde, sprechen für das Eis. Die amerikanische Amundsen-Scott-Südpolstation bietet eine unerwartet hochentwickelte Infrastruktur.

Die Universität Mainz beteiligte sich seit Juni 1999 am Vorläuferexperiment AMANDA und später, zusammen mit rund 270 Wissenschaftlern aus derzeit 39 Institutionen in 11 Ländern am IceCube Experiment. Diese Mainzer Beteiligung wurde derzeit durch die finanzielle Unterstützung des BMBF, der HAP-Helmholtz-Allianz, des EMG-Forschungszentrum und der Universität ermöglicht.