© Icecube/NSF

Science
07/14/2020

Wie im antarktischen Eis nach Dunkler Materie gesucht wird

Zwei Forschungsstationen messen am Südpol das Einfallen von Neutrinos. Was sie uns über Ereignisse im Universum verraten.

von Franziska Bechtold

Die Antarktis ist ein faszinierender Ort, an dem Astronomen, Klimaforscher, Meeresbiologen und Meteorologen arbeiten. Der Südpol unseres Planeten bietet einzigartige Voraussetzungen, beispielsweise für das Beobachten von Neutrinos. Gleich 2 Forschungsstationen an der Antarktis suchen nach diesen fast masselosen Teilchen, die ständig kreuz und quer durch das All und durch unseren Körper flitzen: die Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) und das IceCube Neutrino Observatory.

ANITA sucht nach Radiosignalen und kosmischer Strahlung, die auf besonders energiereiche Neutrinos hinweist. Der Versuchsaufbau besteht aus einem riesigen Heliumballon, der 35 Tage lang in 37 Kilometern Höhe über dem Eis schwebt und mit 40 Antennen nach ultra-hochenergetischen Neutrinos sucht. 4 solcher Flüge wurden seit 2006 bereits absolviert.

„Nichts außer Neutrinos schafft es durch die Erde“

IceCube schaut genauer hin. Dieser stationäre Detektor besitzt 5.160 Sensoren, die an 86 Kabelsträngen zwischen 1.450 und 2.450 Meter tief im Eis versenkt wurden. Sie messen nicht die Neutrinos selbst, sondern können das ultraviolette Licht ausmachen, das sie hinterlassen. Während ANITA nur diejenigen messen kann, die aus der Erde nach oben fliegen, kann IceCube alles messen, was die Sensoren kreuzt. So können sie wie ein Lichtstrahl auf ihren Ursprung zurückverfolgt werden. Ausgewertet werden die Daten von ungefähr 300 Wissenschaftlern von 52 Institutionen aus 12 Ländern.

Was macht Neutrinos so besonders, dass dieser ganze Aufwand für ihre Suche betrieben wird? Die Elementarteilchen haben eine extrem geringe Masse. Das bedeutet, sie fliegen in einer geraden Bahn von ihrem Ursprung durch das Universum und lassen sich auf ihrem Weg kaum von äußeren Umständen wie Magnetismus, elektrischer Ladung, Gravitation oder Materie aufhalten. „Nichts außer Neutrinos schafft es durch die Erde“ erklärt Ibrahim Safa von IceCube, der futurezone. Die Neutrinos entstehen – so vermutet man - an Orten extremer Gravitationsbeschleunigung, indem Protonen in andere Objekte krachen und so Neutrinos produzieren.

Dunkle Materie

Die Astrophysiker, die Neutrinos an der Antarktis messen, können so genau nachvollziehen, woher sie kommen. Unsere Sonne gibt beispielsweise eine große Zahl an Neutrinos ab. Sie entstehen außerdem bei einer Supernova. Neutrinos verraten uns, ob ein Stern explodiert ist, bevor man das Ereignis auf der Erde sehen kann oder geben Hinweise darauf, ob ein Blazar gerade ausbricht. Ein Blazar ist ein aktiver galaktischer Kern. Minuten, nachdem solche Neutrinos gemessen wurden, werden sie an Partner wie dem Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA weitergeleitet, die so noch rechtzeitig an der richtigen Stelle nach einem solchen Ereignis suchen können.

Doch eines der größten Ziele von IceCube ist die Suche nach Dunkler Materie. Denn obwohl man weiß, dass sie nach den bestehenden Gesetzen des Universums existieren muss, ist ihr direkter Nachweis bisher noch nicht gelungen. Von der Erde aus können nur diejenigen Teilchen gemessen werden, die Licht abgeben, denn das Licht ist es, was gemessen werden kann. Dunkle Materie hat ihren Namen aber nicht ohne Grund: Sie gibt kein Licht ab. Trotzdem muss sie da sein, denn etwas bestimmt, warum sich kosmische Objekte, etwa Sterne, so schnell in ihrer Umlaufbahn bewegen. Allein durch die Gravitation lässt sich diese Geschwindigkeit nicht erklären, also muss etwas anderes da sein: Dunkle Materie.

Update für IceCube

Dafür wird der IceCube-Detektor derzeit um 700 Sensoren erweitert. Damit sollen Neutrinos noch besser identifiziert werden können. Oszillieren sie beispielsweise, also wechseln von einer Art zu einem anderen, etwa wenn sie gegen Partikel stoßen, sind sie schwer zu finden. 3 verschiedene Arten von Neutrinos sind bisher bekannt (Tau, Myon und Elektron). Das Update der Sensoren soll dafür sorgen, dass sie trotzdem gefunden werden können. Die Neutrinooszillation ist eine mögliche Erklärung, warum IceCube eine Anomalie nicht entdecken konnte, die ANITA aufgeschnappt hat – und in deren Folge Theorien über Spiegeluniversen aufgestellt wurden.

Eine Möglichkeit, die Anomalie zu erklären und einen Nachweis für Dunkle Materie zu erbringen, wäre es, wenn es sich bei der Entdeckung um ein viertes Neutrino handelt. Ein bisher nur hypothetisches Teilchen, das als guter Kandidat für den Nachweis Dunkler Materie gilt, ist ein sogenanntes steriles Neutrino. Berechnungen zufolge wird es höchstens von Gravitation beeinflusst und entzieht sich ansonsten den Wechselwirkungen des kosmologischen Standardmodells. So könnte es deutlich massereicher sein als bereits bekannte Neutrinos. Bis so ein Nachweis erbracht werden kann, müssen ANITA und IceCube aber weiterhin nach Signalen im Eis suchen.

Den ersten Teil der Serie, in dem es um die mögliche Entdeckung eines Spiegeluniversums geht, in dem die Zeit rückwärts läuft, könnt ihr hier nachlesen.