Seit 2009 erforschen Wissenschaftler:innen mit dem IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol die Quellen kosmischer Strahlung. Nun wurde während des antarktischen Sommers ein umfassendes Upgrade installiert. 51 Forschende und Techniker:innen versenkten dafür 670 neue Sensoren und Kalibrierungsgeräte im Eis. Auch Physiker:innen der TU Dortmund und der Ruhr-Universität Bochum waren beteiligt – zwei von ihnen arbeiteten direkt vor Ort am Südpol.
Gemeinsames Engagement im IceCube-Konsortium
Das Upgrade gilt als wichtiger Schritt auf dem Weg zu IceCube-Gen2, der geplanten zweiten Ausbaustufe des Detektors. Die neuen Komponenten werden die Leistung des Detektors bei niedrigeren Neutrinoenergien deutlich steigern. IceCube-Gen2 soll die Empfindlichkeit deutlich erhöhen und neue wissenschaftliche Möglichkeiten eröffnen.
Insgesamt arbeiteten 51 Wissenschaftler:innen und Techniker:innen an der Installation. Sie versenkten 670 Sensoren und Kalibrierungsgeräte im antarktischen Eis. Beteiligt waren unter anderem Forschende der TU Dortmund und der Ruhr-Universität Bochum, die im IceCube-Konsortium eng zusammenarbeiten.
Dem Konsortium gehören insgesamt neun deutsche Universitäten sowie die beiden Forschungsinstitute KIT und DESY an. Die TU Dortmund und die Ruhr-Universität Bochum bewerben sich zudem gemeinsam als Ruhr Innovation Lab im Rahmen der Exzellenzstrategie.
Glaskugeln mit hochempfindlichen Fotosensoren
Die deutschen Partner haben gemeinsam an der Entwicklung, Erprobung und dem Einsatz der neuen Sensortechnologie mitgewirkt. Eine druckfeste Glaskugel, ein sogenanntes „multi-PMT digital optical module” (mDOM), enthält mehrere Fotosensoren, die „multiple photomultiplier tubes” (PMTs) genannt werden. Diese PMTs wiederum registrieren die schwachen Lichtblitze, die entstehen, wenn Neutrinos gelegentlich mit Materie im Eis interagieren.
Die neuen Module wurden wie Perlen auf einer Schnur auf langen Kabeln aufgereiht. Jedes Kabel mit mehr als 100 Modulen wurde in einzelne Bohrlöcher bis zu einer Tiefe von 2.600 Metern versenkt. Dort unten dient das Eis sowohl als Ziel als auch als Detektionsmedium für die geisterhaften kosmischen Teilchen.
Neben den optischen Modulen wurden auch neue Kalibriergeräte und Kameras installiert. Diese Instrumente liefern kontrollierte Referenzmessungen und ermöglichen eine Überwachung vor Ort. Dadurch können die optischen Eigenschaften des Eises und die Reaktion des Detektors unter realen Betriebsbedingungen genauer charakterisiert werden.
Beiträge aus Dortmund und Bochum
Im Rahmen der Doktorarbeit von Johannes Werthebach wurden an der TU Dortmund rund fünftausend PMTs getestet und kalibriert, bevor sie zur Integration und Montage in komplette mDOMs weitergeleitet wurden. Wissenschaftler:innen der Ruhr-Universität Bochum trugen mit einem neuen Kamerasystem zur Verbesserung der Eis-Charakterisierung bei.
Die TU-Physiker:innen Johannes Werthebach und Dr. Alicia Fattorini nahmen an der Installation am Südpol teil. Werthebach arbeitete vor allem am Upgrade und unterstützte kritische Installationsschritte wie das Einfrieren der Glasmodule in den Bohrlöchern.
Fattorini arbeitete ein ganzes Jahr lang auf der Forschungsstation am Südpol mit und trug dazu bei, den kontinuierlichen ganzjährigen Betrieb unter extremen Bedingungen zu ermöglichen.
Grundlage für die nächste Generation
Die neu installierten Kalibrierungsgeräte und Kamerasysteme sollen systematische Unsicherheiten verringern und die Rekonstruktion von Neutrinoereignissen optimieren. Davon profitieren sowohl zukünftige Messungen als auch die Neuanalyse bereits gesammelter Daten.
Das Upgrade wird die physikalische Forschung von IceCube insgesamt stärken und schafft eine wichtige Grundlage für IceCube-Gen2, das Observatorium der nächsten Generation.
