Tief im Innern eines Berges in Japan befindet sich ein riesiger künstlicher See. Er beherbergt ein gigantisches Observatorium, den Detektor „Super-Kamiokande“. Paradoxerweise dient er dazu, Teilchen zu beobachten, die zu den kleinsten des Universums gehören – NEUTRINOS.
Um noch tiefer in die Welt der „kleinen subatomaren Satansbraten“ einzusteigen, braucht man es noch eine Nummer größer. Das Projekt „IceCube“ versenkt seine Messapparaturen im ewigen Eis der Antarktis.
Eis ist eines der besten Archive, die wir auf der Welt kennen. Zumindest, solange es nicht schmilzt. Eiskernproben enthalten, ähnlich wie die Jahresringe der Bäume, zahlreiche Informationen über die Vergangenheit, insbesondere kosmische.
In der Antarktis versucht man mit Hilfe von Tiefbohrungen ins Erdinnere einzudringen, um dort das größte Archiv des Universums auf der Erde zu knacken.
Wie ist es dort hineingekommen? Nun, aus dem Universum…
IceCube ist das größte astronomische Observatorium der Welt und bei weitem auch das ungewöhnlichste. Es ist ein einzigartiges Teleskop in der Antarktis, auf dem Gelände der US-Forschungsstation Amundsen-Scott in unmittelbarer Nähe des Südpols gelegen. Die gesamte Apparatur wurde tief unter dem Eis installiert.
IceCube sucht nach Beweisen für die Existenz ungewöhnlicher Gäste aus dem All – Neutrinos. Ein Neutrino-Observatorium erstellt keine Fotos von „weit draußen“, sondern eher eine Art von Röntgenaufnahmen des Erdinnern, in der Hoffnung, dabei auf Neutrinos zu treffen.
Neutrinos sind sehr kleine Teilchen fast ohne jegliche Masse. Sie entstehen beim radioaktiven Zerfall von Materie und stammen vornehmlich von der Sonne, aus der kosmischen Strahlung, einige auch aus dramatischen Ereignissen wie der Explosion von Sternen.
Ihr Nachweis hilft den Wissenschaftlern dabei, den Anfang des Universums besser zu verstehen, Fragen zu beantworten, ob es überhaupt so einen Anfang gab (Immer mehr Beweise, dass der Urknall doch nicht der Ursprung des Universums ist).
Detektor Super-Kamiokande
Die hier durchgeführten Experimente sind Teil des internationalen Projekts Tokai 2 Kamioka, kurz T2K. Die Felsen fungieren als Filter, die nur Neutrinos hindurchlassen, aber keine anderen Teilchen der kosmischen Strahlung. Man stellte fest, dass die Neutrinos ziemlich verwandlungsfähig sind (Titelbild: Neutrino-Detektor „Super Kamiokande“ in Japan).
Die Myon-Neutrinos können sich zum Beispiel in Tau-Neutrinos verwandeln, aber auch in Elektron-Neutrinos. Diese Fähigkeit ist von großer Bedeutung, um die ersten Momente nach der Entstehung des Universums zu verstehen.
Bis vor Kurzem wusste man nicht, warum das Weltall zum größten Teil aus Materie besteht, während die Antimaterie verschwunden ist. Die Entdeckung, dass Neutrinos sich verwandeln können – Wissenschaftler sagen, sie „oszillieren“ – erlaubt die Vermutung, dass auch Antineutrinos ähnliche Fähigkeiten besitzen. Die Wissenschaftler vermuten aber, dass die Verwandlungsprozesse bei Antineutrinos etwas anders verlaufen.
Für die Entdeckung der Neutrino-Oszillation erhielt der Kamiokande-Forscher Takaaki Kajita gemeinsam mit seinem kanadischen Kollegen Arthur McDonald 2015 den Physik-Nobelpreis. Im Jahre 2012 wurde in der Nähe von Hongkong ein anderes Experiment mit Namen Daya Bay durchgeführt. Man registrierte dort die ersten Verwandlungen von Antineutrinos, die von dem in der Nähe befindlichen Atomkraftwerk Lin Gao stammten.
Alle diese Observatorien nennt man „Observatorien der ersten Generation“, denn sie haben in all den Jahren noch keine hochenergetischen Neutrinos einfangen können, sondern zumeist nur solche mit geringer Energie, die uns nur Informationen über unsere kosmische Nachbarschaft liefern können. Hochenergetische Neutrinos hingegen stammen aus anderen Quellen, die Informationen über Bereiche aus den Tiefen des Weltraums liefern können.
Man unterscheidet Neutrinos aus Punktquellen (z. B. Supernovas), Neutrinos aus dem Zentrum unserer Galaxis, aus der Annihilation dunkler Materie oder von Doppelsternsystemen, die Röntgen- bzw. Gammastrahlung emittieren. Die Neutrinos mit der höchsten Energie sind extragalaktischen Ursprungs. Sie stammen vermutlich aus aktiven galaktischen Kernen, d. h. Bereichen anderer Galaxien mit besonders hoher Leuchtkraft. Außerdem treten sie als Bestandteil der sogenannten Gamma Ray Bursts auf.
Zur Registrierung hochenergetischer Neutrinos müssen einige extreme Bedingungen erfüllt werden. So muss der Detektor nicht nur sehr groß sein, die Experimente müssen auch in absoluter Dunkelheit stattfinden. Die Sensoren müssen hoch stabil sein, sie dürfen nur einer minimalen radioaktiven Strahlung ausgesetzt werden, und das umgebende Material muss kristallklar sein. Alle diese Bedingungen sind in den Tiefen des antarktischen Eises geradezu ideal erfüllt.
Observatorium im ewigen Eis
Daher wurde das größte Neutrino-Observatorium der Welt, IceCube, gerade dort errichtet. Ihm steht zur Beobachtung der Neutrinos ein Kubikkilometer antarktischen Festlandeises zur Verfügung. Die Anlage ermöglicht es, Energien oberhalb von 10 GeV zu registrieren. Schon der Bau der Anlage war eine große technische und logistische Herausforderung. Es konnte nur während des kurzen Polarsommers gebaut werden, und selbst dann liegen die Temperaturen fast nie über 0° C.
Die nahegelegene US-Forschungsstation bietet zwar Komfort wie in einem guten Hotel, doch die Bedingungen für die Menschen sind trotzdem schwierig. Zur Installation der Anlage wurden insgesamt 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes von ihnen rund 2400 Meter tief. In jedem dieser Löcher wurden jeweils 60 digitale optische Module (DOM) in einer Tiefe von mindestens 1450 Metern versenkt.
In dieser Tiefe kann kein einfallendes Tageslicht mehr die Messungen stören. Auch eingeschlossene Luftbläschen sind dort durch den hohen Druck genügend komprimiert, damit sie die Ausbreitung der einfallenden Strahlung nicht mehr beeinflussen können. Mit der Erdoberfläche sind die DOMs durch lange Kabel verbunden.
Die Sensoren mussten vor der Einbringung ins Eis höchste Qualitätsprüfungen bestehen, denn später können sie nicht mehr zurück an die Erdoberfläche gebracht werden, da sie im Eis festfrieren. Schon ihre Befestigung ist eine Kunst. Zuerst muss eine etwa 50 Meter dicke Schicht Firn (überfrorener Altschnee) durchquert werden. Das eigentliche Eis befindet sich erst darunter.
Man arbeitete mit Heißbohrern, die reichlich heißes Wasser benötigen. Die Wasserversorgung war ein weiteres Problem, da die Antarktis ein Wüstengebiet ist. Eis ist zwar reichlich vorhanden, flüssiges Wasser dagegen kaum. Daher musste zuerst mit Hilfe von Dieselmotoren Eis geschmolzen werden. Der eigentliche Bohrvorgang eines Loches dauerte ca. 30 Stunden und musste ohne Unterbrechung erfolgen.
Würde IceCube an der Erdoberfläche stehen, so wäre es rund drei Mal höher als das derzeit höchste von Menschenhand errichtete Bauwerk der Erde, der Wolkenkratzer Burj Khalifa im arabischen Emirat Dubai. Den Eiffelturm in Paris würde IceCube um das Achtfache überragen. IceCube wurde nach rund zehnjähriger Bauzeit im Dezember 2010 fertiggestellt und in Betrieb genommen.
Die Sensoren liefern eine sehr präzise Analyse der kosmischen Strahlung. Laut Prof. Halzen gab es bislang keine genügend großen Installationen, um diese Strahlung untersuchen zu können. Wir wissen auch noch nicht viel über die Quellen der kosmischen Strahlung. Nach der Theorie enthält diese Strahlung Informationen über Naturphänomene aus den entlegensten Teilen unseres Universums wie etwa Gammastrahlenblitze, Supernova-Explosionen und frühere Stadien der Entwicklung unseres Universums.
Selbst die geheimnisvolle dunkle Materie lässt sich mit Hilfe von IceCube untersuchen. Bisher war „dunkle Materie“ ja so etwas wie ein Sammelbegriff für alles, mit dem Physiker keine Lust hatten sich zu beschäftigen.
Das Observatorium kann auch dazu dienen, nach supersymmetrischen Teilchen zu suchen, die in der Frühphase des Universums entstanden, noch bevor die heute bekannten Grundkräfte des Universums (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) sich aufgespalten hatten. Und nicht zu vergessen: Jede neue Tür, die man in der Geschichte der Astrophysik aufgestoßen hat, führte auch zu vollkommen unerwarteten Entdeckungen.
Wir wissen schließlich bei weitem noch nicht alles über das Universum.
In diesem Sinne hoffen die Wissenschaftler beim Betrieb von IceCube natürlich auch noch auf die ganz große Überraschung. Wenn ein Neutrino tief im Innern des antarktischen Eises mit einem Eisatom interagiert, entsteht ein besonderes Elementarteilchen, ein sogenanntes Myon. Ein solches Myon emittiert dann Licht aus dem blauen Bereich des optischen Spektrums (Cerenkov-Strahlung), das mit Hilfe der DOMs registriert werden kann.
Richtung und Intensität des Lichts erlauben es den Wissenschaftlern festzustellen, woher im Universum das Neutrino gekommen ist. Sie möchten wissen, wie solch ein Neutrino-Event aussieht? Bitte, kein Problem, so etwas abzubilden.
Es gibt viele Fragen im Zusammenhang mit dem Aufbau und der Entstehung des Universums, deren Studium mit herkömmlichen Methoden sehr schwierig ist. Die Herkunft kosmischer Strahlung ist einer dieser Bereiche.
Diese Strahlung besteht keineswegs nur aus Neutrinos, sondern auch aus massiveren Teilchen wie Protonen und Neutronen, die auch mit wesentlich weniger Aufwand nachgewiesen werden können. Protonen jedoch tragen eine (positive) elektrische Ladung und werden daher durch Magnetfelder abgelenkt. Die Richtung, aus der sie bei uns eintreffen, sagt daher nichts mehr über ihren Ursprung aus.
Freie Neutronen dagegen sind kurzlebig. Sie zerfallen zumeist in der Erdatmosphäre, bevor wir sie auffangen können. Hochenergetische Lichtteilchen (Photonen) werden zum größten Teil auf dem Weg zu uns von Materie absorbiert. Das ist der Grund, weshalb Lichtstrahlung mit zunehmender Entfernung immer schwächer wird.
Neutrinos hingegen können praktisch durch das ganze Universum reisen, ohne dass ihre Trajektorien durch Gravitationswirkung oder Magnetfelder von Himmelskörpern gebeugt würden. Was ihre Beobachtung schwierig macht – die geringe Wechselwirkung mit Materie – wird so gleichzeitig zum Vorteil: Sie sind die idealen Botschafter, die noch die Information über ihre Herkunft in sich tragen (Quantenwelt: Könnte das Universum über ein Bewusstsein verfügen? (Videos)).
Sie sind also Zeitkapseln par excellence.
Leben am Südpol
Die Forschungsstation Amundsen-Scott ist eine Oase des Lebens inmitten einer riesigen lebensfeindlichen Eiswüste, in der die niedrigsten auf der Erde vorkommenden Temperaturen gemessen werden.
Bevor jemand die Erlaubnis erhält, auf der Forschungsstation zu arbeiten, muss er daher eine umfangreiche medizinische Untersuchung über sich ergehen lassen, um sicherzustellen, dass er den Strapazen der Reise und den Bedingungen vor Ort gewachsen ist.
Es gibt in der Forschungsstation zwar auch Ärzte, wenn jedoch eine kompliziertere medizinische Versorgung nötig wird, stellt das die Besatzung der Station vor gewisse Probleme. Es gibt in der Antarktis weder Eisenbahn- noch Schiffsverbindungen, und die Reise über den antarktischen Highway bis zur Küste dauert rund zehn Tage. Das wichtigste Verkehrsmittel ist daher das Flugzeug.
Ein Flug aus Europa zur Antarktisstation dauert rund 72 Stunden und erfordert Zwischenlandungen, zumeist in den neuseeländischen Städten Auckland und Christchurch. Der Weiterflug zur Antarktis erfolgt dann nicht mehr in einer kommerziellen Verkehrsmaschine, sondern relativ abenteuerlich im Bauch einer US-Militärmaschine, einer Boeing C-17, die die Passagiere nach McMurdo bringt.
Für antarktische Verhältnisse ist McMurdo eine Metropole, Amundsen-Scott dagegen ein Kaff. Der Weiterflug zum Pol und zur Forschungsstation erfolgt dann mit einem Spezialflugzeug vom Typ Lockheed LC-130 Hercules, das anstelle des normalen Fahrwerks mit Kufen zur Landung auf dem Eis ausgerüstet ist. Schon das Aussteigen aus dem Flugzeug an der Forschungsstation ist ein Abenteuer.
Am Südpol herrscht während des kurzen antarktischen Sommers 24 Stunden Tageslicht, und die vom Eis tausendfach reflektierten Sonnenstrahlen erzeugen ein derart gleißendes Licht, dass sich das Auge daran erst einmal gewöhnen muss, selbst wenn man eine Sonnenbrille trägt (Ein geheimes Tagebuch, UFOs und grüne Landschaften – was geschah wirklich nach Ende 2. Weltkriegs in der Antarktis?).
Nichts ist das, was es zu sein scheint
Die Südpolstation beherbergt rund 200 Menschen. Kommen sie wirklich der Big-Bang-Theory näher? Oder ruft das Universum „Bazinga“? Die Entdeckung der Neutrino-Oszillation hat der Kosmologie und Astrophysik eine Tür geöffnet, für deren Durchschreiten eine neue Physik gebraucht wird.
Die Annahme, dass uns Neutrinos Daten über den Big Bang liefern, erscheint nicht mehr so sicher wie lange Zeit angenommen. Hierfür benötigte man noch exotischere Gebilde wie sterile oder schwere Neutrinos, Majorana-Teilchen, die ihr eigenes Antiteilchen sind usw.
Nichts davon wurde bislang beobachtet. Die Hypothesen um „Big Bang“/„kein Big Bang“ sind derzeit in einer Patt-Situation.
Den Big-Bang-Physiker Sheldon Cooper aus der TV-Sitcom würde dieser Zustand „epistemischer Ambivalenz“ natürlich freuen.
Literatur:
Das Montauk-Projekt 1: Experimente mit der Zeit von Preston B Nichols
Top Secret Umbra: Die UFO-Geheimakten der NSA von Grazyna Fosar
Das Montauk-Projekt 2. Rückkehr nach Montauk: Abenteuer mit der Synchronizität: II von Preston B Nichols
Status: Nicht existent: Antigravitation im Einsatz: Weltraumverteidigung – Tarnkappentechnologie – Mind Control von Grazyna Fosar
Videos:
Quellen: PublicDomain/fosar-bludorf.com am 25.10.2017
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