Tief unter dem Eis der Antarktis befindet sich eines der ungewöhnlichsten Observatorien der Welt. Statt mit einem Teleskop den Himmel zu beobachten, suchen Forschende dort nach winzigen Lichtblitzen. Sie entstehen, wenn sogenannte Neutrinos – Elementarteilchen, die kaum mit Materie reagieren – auf ihrem Weg durch das Eis doch einmal mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Die Neutrinos können aus weit entfernten Galaxien stammen und Informationen über Vorgänge liefern, die sich mit herkömmlichen Teleskopen nur schwer untersuchen lassen.

Der maßgebliche Wegbereiter des Neutrino-Observatoriums IceCube am Südpol, Francis Halzen, erhält 2026 den Physiknobelpreis. Ihm gelang es, hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall nachzuweisen und ihren Ursprung mit gewaltigen kosmischen Prozessen in Verbindung zu bringen.

Für Jochen Schieck, Direktor des Marietta-Blau-Instituts für Teilchenphysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), ist die Auszeichnung keine Überraschung. Im Interview erklärt er, was Neutrinos so besonders macht, wie sie im antarktischen Eis nachgewiesen werden – und warum „Mister IceCube“ Francis Halzen schon während seines Studiums eines seiner Vorbilder war.

Neutrinos: Besondere Elementarteilchen

Herr Schieck, der Physiknobelpreis geht dieses Jahr an Francis Halzen. Was denken Sie darüber?

Jochen Schieck: Das hat mich überhaupt nicht überrascht. Francis Halzen war für mich einer der wenigen Physiker, bei denen ich immer gedacht habe: Der steht auf der Liste, irgendwann bekommt er den Nobelpreis. Er hat ein unglaublich spannendes Forschungsgebiet geprägt und dafür bereits zahlreiche andere Auszeichnungen erhalten. Die Entscheidung passt einfach.

Neutrinos können praktisch ungehindert durch das Universum fliegen, ohne dabei abgelenkt zu werden. 

Worum geht es bei seiner Forschung überhaupt? Was sind Neutrinos und warum sind sie so interessant?

Schieck: Neutrinos sind Elementarteilchen, die eine ganz besondere Eigenschaft haben: Sie wechselwirken nur sehr selten mit anderer Materie. Das macht sie einerseits extrem schwierig nachweisbar. Andererseits ist genau das ihr großer Vorteil. Sie können praktisch ungehindert durch das Universum fliegen, ohne dabei abgelenkt zu werden. Bei elektrisch geladenen Teilchen ist das anders. Sie werden durch Magnetfelder im Weltall abgelenkt. Wenn wir ein solches Teilchen auf der Erde beobachten, wissen wir deshalb nicht unbedingt, woher es ursprünglich gekommen ist. Bei Neutrinos können wir dagegen sehr viel genauer zurückverfolgen, aus welcher Richtung sie stammen. Wir können also einen Zusammenhang zwischen dem Ort herstellen, an dem ein Teilchen entstanden ist, und dem Ort, an dem wir es beobachten.

Traditionell funktioniert das in der Astronomie vor allem mit Licht, also mit Photonen. Aber auch Licht stößt bei besonders hohen Energien an Grenzen, weil es auf seinem Weg durch das Weltall mit anderen Photonen wechselwirken kann. Neutrinos haben dieses Problem in dieser Form nicht. Dadurch können wir auch extrem energiereiche Vorgänge im Universum untersuchen.

Unter dem Eis der Antarktis

Wie schafft man es, diese schwer nachweisbaren Teilchen ausgerechnet im Eis der Antarktis aufzuspüren?

Schieck: Das ist das eigentlich Faszinierende an diesem Experiment. Weil Neutrinos so selten mit Materie wechselwirken, braucht man einen riesigen Detektor. Und dafür eignet sich das Eis der Antarktis besonders gut. Die Forschenden haben festgestellt, dass das Eis in etwa eineinhalb Kilometern Tiefe außergewöhnlich durchsichtig ist. Wenn man sich gewöhnliches Eis anschaut, sieht man viele kleine Luftblasen, an denen Licht gestreut wird. Tief im antarktischen Eis ist das anders. Dort kann sich Licht über sehr große Entfernungen ausbreiten. Wenn ein Neutrino mit Materie wechselwirkt, können dabei geladene Teilchen entstehen, die wiederum ein schwaches Lichtsignal erzeugen, sogenanntes Tscherenkow-Licht. Dieses Licht lässt sich mit den Sensoren im Eis nachweisen.

Er ist wirklich „Mister IceCube“

Der Weg dorthin war aber lang. Man musste herausfinden, in welcher Tiefe das Eis geeignet ist, wie man solche Lichtsignale messen kann und wie sich Neutrinos aus dem Weltall von Teilchen unterscheiden lassen, die beispielsweise in unserer Atmosphäre entstehen. Und das alles unter den extremen Bedingungen der Antarktis. Was mich daran besonders beeindruckt, ist Halzens Ausdauer. Dieses Projekt reicht bis ins letzte Jahrtausend zurück. Er hat sich über Jahrzehnte nicht entmutigen lassen, sondern das Experiment konsequent weiterentwickelt. Er ist wirklich „Mister IceCube“. Ich kenne ihn auch persönlich. Schon während meines Studiums war er eines meiner wissenschaftlichen Vorbilder, weil ich sein Lehrbuch großartig fand. Später habe ich ihn zu einem Kolloquium eingeladen, und 2015 war er bei einer großen Teilchenphysik-Konferenz in Wien, wo er ebenfalls einen Preis erhielt. Was ich an ihm besonders schätze: Er ist nicht nur ein hervorragender Physiker, sondern auch im Umgang mit jungen Studierenden unglaublich angenehm. Deshalb freuen sich viele in unserer Forschungscommunity über diesen Nobelpreis. Er ist wirklich hochverdient.

Neuer Blick auf das Universum

Und was hat sich durch IceCube über das Universum herausfinden lassen?

Schieck: Ein besonders interessantes Forschungsgebiet sind sogenannte aktive Galaxienkerne. Im Zentrum von Galaxien befinden sich sehr massereiche Schwarze Löcher, die Millionen bis Milliarden Mal so schwer sein können wie unsere Sonne. Wenn Materie in die Umgebung eines solchen Schwarzen Lochs gelangt, können gewaltige Energiemengen freigesetzt und Teilchen in gebündelten Strahlen, sogenannten Jets, ins All geschleudert werden. Uns interessiert, welche Prozesse dabei ablaufen und auf welche Energien die Teilchen beschleunigt werden.

Mit IceCube wurde 2017 ein hochenergetisches Neutrino beobachtet, das sich mit einem solchen aktiven Galaxienkern in Verbindung bringen ließ. Gleichzeitig gab es astronomische Beobachtungen mit Licht. Dadurch konnte man unterschiedliche Informationen über dasselbe Objekt miteinander verknüpfen. Das ist ein relativ neues Forschungsgebiet, die sogenannte Multi-Messenger-Astronomie. Ein Messenger ist gewissermaßen ein Botenteilchen, das uns Informationen aus dem Universum bringt. Wir beobachten ein Objekt also nicht mehr nur mithilfe von Licht, sondern nutzen verschiedene Arten solcher Boten. Weil Neutrinos und Photonen unterschiedliche Eigenschaften haben, können wir dadurch mehr über Prozesse erfahren, die in weit entfernten Galaxien stattfinden. Das eröffnet uns ganz neue Möglichkeiten, das Universum zu untersuchen.

Wir wollen damit grundlegende Eigenschaften von Neutrinos besser verstehen.

Sie selbst forschen ebenfalls zu Neutrinos. Wo gibt es Berührungspunkte mit den ausgezeichneten Arbeiten?

Schieck: Nicht unmittelbar, denn wir untersuchen Neutrinos in einem ganz anderen Energiebereich. IceCube sucht nach extrem hochenergetischen Neutrinos aus dem Weltall. Wir interessieren uns dagegen für Neutrinos mit sehr niedriger Energie. Bei diesen Neutrinos ist nämlich die Wellenlänge größer. Das hängt damit zusammen, dass jedes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt: Je niedriger seine Energie ist, desto größer ist seine Wellenlänge. Dadurch können solche Neutrinos mit einem ganzen Atomkern wechselwirken und nicht nur mit einzelnen Teilchen darin. Wir verwenden dafür sehr schwere Atomkerne, etwa aus Wolfram. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung erheblich. Deshalb benötigen wir auch keinen so riesigen Detektor wie IceCube. Unser Experiment ist vergleichsweise klein.

Wir wollen damit grundlegende Eigenschaften von Neutrinos besser verstehen. Außerdem suchen wir in unserer Forschungsgruppe vor allem auch nach Dunkler Materie. Das ist zwar ein anderes Forschungsgebiet, aber auch dabei geht es letztlich darum, besser zu verstehen, wie unser Universum aufgebaut ist und sich entwickelt. In diesem übergeordneten Sinn gibt es also durchaus Verbindungen.