Nobelpreis für Physik: Francis Halzen für Nachweis kosmischer Neutrinos geehrt

Francis Halzen hatte 1988 eine Idee, die konservativen Physikern damals absurd vorkommen musste: Bauen Sie ein riesiges Observatorium unter dem antarktischen Eis, einen Würfel mit etwa einem Kilometer Kantenlänge, mehr als tausend Meter tief im Eis vergraben. Damit wollen Sie Neutrinos nachweisen – Teilchen, die so leicht und so wenig interaktiv sind, dass ein ganzer Strahl von ihnen die Erde durchqueren kann, ohne nennenswert geschwächt zu werden. Halzen selbst gab während der Bekanntgabe seines Nobelpreises für Physik zu, dass kein respektabler Physiker sich ihm am Anfang angeschlossen hätte. Und doch wurde aus dieser verrückten Vision Wirklichkeit.

Neutrinos sind unter den fundamentalen Elementarteilchen die leichtesten, wie Kathrin Valerius vom Karlsruher Institut für Physik erklärt. Sie entstehen im Inneren der Sonne, bei Supernovae – sterbenden Sternen, die enorme Energiemengen freisetzen – und in der Nähe schwarzer Löcher. Das Besondere an ihnen: Im Gegensatz zu anderen Strahlen solcher kosmischen Phänomene werden Neutrinos weder durch Materie noch durch Magnetfelder abgelenkt. Wenn man einen Neutrinostrahl zurückverfolgen kann, zeigt er direkt zu seinem kosmologischen Ursprung zurück. Das macht sie zu perfekten Boten aus dem All – vorausgesetzt, man kann sie überhaupt nachweisen.

Die Herausforderung liegt genau darin. Weil Neutrinos kaum mit anderer Materie wechselwirken, sind sie extrem schwer zu messen. Die beste Chance, ein Neutrino zu beobachten, besteht darin, dass sehr viele Neutrinos einen sehr großen Detektor durchqueren. Die erste erfolgreiche Beobachtung gelang 1956 an einem der ersten großen Kernreaktoren, der von Natur aus viele Neutrinos produziert. Halzens Ansatz war radikal anders: Nutzen Sie die Masse des antarktischen Eises selbst als Detektor. In einem Vorgängerprojekt namens AMANDA wurden Photoelektronenvervielfacher im Eis versenkt – Module, die kleinste Lichtblitze erkennen können, die entstehen, wenn Neutrinos mit dem Eis interagieren.

Aufgrund des Erfolges von AMANDA wurde das Projekt IceCube genehmigt und Ende 2010 fertiggestellt. Mit einem Kubikkilometer Volumen ist es etwa 50-mal größer als sein Vorgänger. Trotz dieser enormen Größe wird im Durchschnitt nur etwa ein Neutrino pro Tag detektiert. Doch 2013 gelang der Durchbruch: IceCube detektierte die ersten 28 hochenergetischen Neutrinos kosmischen Ursprungs. Diese Teilchen sind eine Million bis eine Milliarde Mal energiereicher als jene, die von der Sonne ausgestoßen werden. Sie stammen aus besonders aktiven Galaxiezentren, sogenannten Blazaren, und anderen extremen kosmischen Ereignissen.

Halzen wird für seine Beiträge zu IceCube und die damit verbundene Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Das Nobelkomitee begründet die Auszeichnung damit, dass dieses Instrument der astronomischen Grundlagenforschung bisher unbekannte kosmische Phänomene aufdecken könnte. Valerius vom KIT stimmt dem zu: Diese Teilchen öffnen einen Blick in ferne Welten, auf Bereiche, die sonst schwer zu beobachten sind, und versprechen fundamentale neue Erkenntnisse.

Deutschland spielt in diesem internationalen Projekt eine zentrale Rolle. Nach den USA ist Deutschland der zweitgrößte Geldgeber. Das Forschungszentrum DESY in Zeuthen und mehrere deutsche Universitäten – Wuppertal, Berlin, Aachen und das KIT in Karlsruhe – sind beteiligt. Deutsche Gruppen entwickeln und testen einen großen Teil der hochempfindlichen Lichtsensoren, die es IceCube überhaupt erst ermöglichen, Neutrinos sicher zu erkennen und auszuwerten.

Halzen selbst bleibt bei der Bekanntgabe demütig. Er dankt vor allem denjenigen, die seine verrückte Idee ernst genug genommen haben, um sie Wirklichkeit werden zu lassen – den vielen talentierten Menschen, die an das Projekt glaubten. Der 1944 in Belgien geborene Physiker ist heute Direktor des Instituts für Elementarteilchenphysik an der University of Wisconsin und leitender Wissenschaftler des IceCube-Projekts. Seine Auszeichnung mit dem Nobelpreis ist, wie Valerius sagt, vollkommen gerechtfertigt: Halzen ist ein fantastischer Botschafter für dieses Feld, das seit vielen Jahrzehnten darauf hinarbeitet, solche bahnbrechenden Entdeckungen zu machen.