Jäger der flüchtigen Neutrinos

Francis Halzen hat mit Ice Cube den grössten Teilchendetektor der Welt entwickelt. Mit ihm fängt er Neutrinos ein. Sie liefern Daten über die gewaltigsten Ereignisse im Weltall.

Francis Halzen auf der Terrasse des Bellevue Palace in Bern. Foto: Daniel Rihs (13 Photo)

Francis Halzen auf der Terrasse des Bellevue Palace in Bern. Foto: Daniel Rihs (13 Photo)

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Eigentlich müsste man erwarten, dass sich Francis Halzen ein Getränk mit Eiswürfeln bestellt. Denn Halzen leitet ein Experiment namens «Eiswürfel», auf Englisch «Ice Cube». Tatsächlich ist Ice Cube der mit Abstand grösste Teilchendetektor der Welt. Selbst die mehrere Stockwerke hohen Detektorungetüme am Cern bei Genf sind im Vergleich dazu winzig. Denn Ice Cube ist ein Eiswürfel von einem Kubikkilometer Grösse. Er steht, oder besser: Er ruht tief im Eis der Antarktis, nahe am Südpol. Damit jagt Halzen die flüchtigen Neutrinos, die bei den gewaltigsten Ereignissen im Universum entstehen, etwa wenn Sterne explodieren oder supermassive schwarze Löcher Materie verschlucken.

Doch als Halzen im Salon d’Honneur des Hotels Bellevue Palace in Bern sitzt, bestellt er einen Kaffee. Der US-Physiker belgischer Abstammung ist hier zu Besuch, um den mit 750'000 Franken dotierten Balzan-Preis entgegenzunehmen. Vor lauter Interviews und Fototerminen konnte er noch kein Frühstück zu sich nehmen. Daher also Kaffee. Schwarz, ohne Zucker.

Ein Forscher der Ordnung «Raubtiere»

Es ist nicht nur das Getränk, das die Erwartungen nicht ganz erfüllt. Einen Forscher, der ein Experiment am Südpol leitet, stellt man sich wegen der harschen Bedingungen in der Antarktis wie einen Bergführer vor: sonnen- und windgegerbtes Gesicht, kräftige, braune Hände, die zupacken können. Aber die Hände des 71-jährigen Forschers sind zart und bleich. «Ich bin theoretischer Physiker», sagt er. «Ich habe die wissenschaftlichen Grundlagen für den Bau des Detektors gelegt. In der Antarktis war ich noch nie.»

Ein harter Bursche ist Halzen dennoch, wenn auch nicht in physischer Hinsicht. Denn es war ein langer, zäher Weg, bis Ice Cube sensationelle und nun mit dem Balzan-Preis gewürdigte Entdeckungen machen konnte. Kollegen beschrieben Halzen einmal als Forscher der Ordnung «Raubtiere». Als Raubtierforscher hört Halzen nicht auf, der Natur nachzustellen, bis diese Antworten liefert. Man könne sich ausmalen, schreiben die Wissenschaftler in der spanischen Kulturzeitschrift «Jot Down», wie Halzen sich vorstellt mit: «Mein Name ist Halzen, Francis Halzen.» Der Agent 007 der Physik.

Ice Cube schaut durch die Erde hindurch

Mitte der 80er-Jahre begann sich der US-Physiker für die Neutrino-Astronomie zu interessieren. Dieser Forschungszweig möchte mithilfe der fast masselosen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durchs All rasenden Neutrinos in Himmelsregionen blicken, die optischen Teleskopen verborgen sind. Denn im Gegensatz zu Licht können Neutrinos ungehindert Staubwolken oder andere Materieansammlungen durchdringen, etwa die ganze Erde. So lässt sich Ice Cube als Teleskop verstehen, das vom Südpol aus durch die Erde hindurch ins Weltall blickt. Die Erde dient als Filter, der unerwünschte Teilchen zurückhält. Nur Neutrinos fliegen durch die ganze Erde.

Reste einer Supernova aus dem Jahr 1054. Foto: iStock

Gelegentlich bleibt eines von Myriaden dieser Neutrinos nach der Reise durch die Erde in Ice Cube stecken. Stösst es auf einen Atomkern im Eis, werden geladene Teilchen freigeschlagen, die auf ihrem Weg durchs Eis ein bläuliches Licht erzeugen. Es ist das gleiche bläuliche Licht, das aus den Brennelementebecken in Atomkraftwerken leuchtet. 5160 bis zu 2,5 Kilometer tief im Eis versenkte Lichtdetektoren registrieren dieses Glimmen, was letztlich Informationen über die Flugrichtung und die Energie der Neutrinos liefert.

Blauäugigkeit als Glücksfall

Im Grunde gibt es Ice Cube nur, weil Halzen seine Hausaufgaben nicht gemacht hat. Seinerzeit wusste niemand genau, wie durchsichtig das Eis in der Antarktis wirklich ist. Hätte Halzen die Literatur studiert, hätte er etwas von 8 Metern gelesen, die Licht maximal in Eis zurücklegen könne. Demnach hätten viel zu viele Lichtdetektoren viel zu dicht im Eis der Antarktis platziert werden müssen. Ice Cube wäre unbezahlbar gewesen.

Doch Halzen wusste nichts von diesen Laborstudien zur Transparenz von Eis und machte sich etwas blauäugig an die Arbeit. Es stellte sich heraus, dass das Eis im Panzer der Antarktis viel klarer ist, als es die Laborstudien nahelegten. «An manchen Orten legt Licht nach unseren Messungen rund 300 Meter zurück», sagt Halzen. So genügte ein recht lockeres Netz von Lichtdetektoren, um die Neutrinos aufzuspüren.

Wie schafft die Natur das nur?

Halzen sucht insbesondere nach Neutrinos, die jenseits unserer Galaxie, der Milchstrasse, in anderen Ecken des Universums entstehen. Dort müssen gigantische Beschleuniger am Werk sein, die nicht nur elektrisch ungeladene Neutrinos, sondern auch geladene Partikel, sogenannte hochenergetische kosmische Strahlen, auf enorme Energie beschleunigen. Ein Vergleich mit dem Teilchenbeschleuniger LHC am Cern bei Genf zeigt, was dort draussen im Weltall abgeht. Am LHC werden Protonen auf eine Energie von rund 6,5 Teraelektronenvolt (TeV) beschleunigt. Vor zwei Jahren entdeckten Halzen und sein Team Neutrinos mit 1000 TeV, mittlerweile eines mit 10'000 TeV. Die geladenen Teilchen der kosmischen Strahlen erreichen sogar eine zehn Millionen Mal höhere Energie als die Protonen am LHC.

Die Frage ist: Wie um alles in der Welt und wo im Universum schafft es die Natur, Neutrinos und kosmische Strahlen auf solch gigantische Energien zu beschleunigen? Die Teilchen der hochenergetischen kosmischen Strahlen können diese Frage nicht beantworten. Denn sie sind geladen und werden von Magnetfeldern im Weltall abgelenkt. Die Richtung, mit der sie auf die Erde treffen, zeigt nicht auf die kosmischen Beschleuniger zurück. Neutrinos sind jedoch elektrisch neutral. Magnetfelder lenken sie nicht ab. Ihre Ankunftsrichtung in Ice Cube weist genau auf die kosmischen Beschleuniger. Daher muss Halzen die Flugrichtung der Neutrinos möglichst exakt vermessen.

Neutrinos deuten auf schwarze Löcher

Tatsächlich hat Halzen bereits einige verdächtige Beschleuniger im Fokus. Diese passen gut zu Beobachtungen des Weltraumteleskops Fermi, das enorm hochenergetisches Licht detektiert. Mit Fermi untersuchen Astronomen unter anderem gefrässige schwarze Löcher im Zentrum ferner Galaxien, sogenannte aktive galaktische Kerne. Diese senden helle «Gammablitze» aus. «Derzeit vergleichen wir die Gammastrahlen von aktiven galaktischen Kernen mit den Neutrinos», sagt Halzen. «Ich habe zwar gerade nicht viel Geld in meiner Brieftasche. Aber wenn ich welches hätte, würde ich alles darauf wetten, dass aktive galaktische Kerne die Quelle der hochenergetischen kosmischen Strahlen und der Neutrinos sind.»

Halzens Wunschtraum wäre, wie er sagt, die Beobachtung einer Sternexplosion in unserer Galaxie, einer sogenannten Supernova. Auch dabei entstehen Neutrinos, die Ice Cube detektieren könnte. «Im Mittel sollte es in der Milchstrasse drei solche Supernovae pro Jahrhundert geben», sagt Halzen. «Ich würde gerne eine sehen, bevor ich sterbe.»

Erstellt: 20.11.2015, 14:27 Uhr

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