Francis Halzen erhält Physik-Nobelpreis für seine Beiträge zum IceCube-Experiment

Wir gratulieren Francis Halzen zum Physik-Nobelpreis 2026, mit dem seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs ausgezeichnet werden. Auch unsere Arbeitsgruppe an der TU Dortmund ist seit vielen Jahren an IceCube beteiligt und leistet wichtige Beiträge zur Untersuchung astrophysikalischer und atmosphärischer Neutrinos, zur Entwicklung neuer Simulations- und Analysemethoden sowie zur Weiterentwicklung des Detektors.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Teilchen mit einer sehr geringen Masse, die nur schwach mit Materie wechselwirken. Dadurch können sie selbst große Distanzen nahezu ungehindert zurücklegen und Informationen aus weit entfernten astrophysikalischen Quellen zu uns tragen. Gleichzeitig sind sie aus diesem Grund jedoch nur schwer nachweisbar. Für ihren Nachweis wird ein sehr großes Detektionsvolumen benötigt, weshalb das IceCube-Neutrino-Observatorium das natürlich vorhandene Eis der Antarktis als Detektionsmedium nutzt. Wechselwirkt dort ein Neutrino mit einem Teilchen im Eis, können geladene Teilchen entstehen, die bei ausreichend hoher Geschwindigkeit sogenanntes Cherenkov-Licht aussenden. Dieses Licht wird von den im Eis verteilten Sensoren aufgezeichnet, aus deren Messungen sich unter anderem die Energie und die Herkunftsrichtung des ursprünglichen Neutrinos rekonstruieren lassen.

Francis Halzen ist Physiker an der University of Wisconsin–Madison in den USA und war maßgeblich an der Entwicklung des IceCube-Experiments beteiligt. Er verfolgte die Idee, das antarktische Eis als Detektionsmedium für hochenergetische Neutrinos zu nutzen und zeigte gemeinsam mit anderen Forschenden, dass sich Neutrinos auf diese Weise nachweisen lassen. Diese Arbeiten legten eine wichtige Grundlage für das spätere IceCube-Experiment. Halzen spielte sowohl beim Aufbau der internationalen Kollaboration als auch bei der Realisierung des Observatoriums eine entscheidende Rolle. Bis heute ist er Principal Investigator des Experiments. Ein wichtiger wissenschaftlicher Erfolg folgte 2013, als IceCube erstmals hochenergetische Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs nachweisen konnte. Ein weiterer Durchbruch gelang 2023 mit dem erstmaligen Nachweis hochenergetischer Neutrinos aus unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. An der dafür entscheidenden Datenanalyse waren Forschende der TU Dortmund maßgeblich beteiligt.

Unsere Arbeitsgruppe ist seit vielen Jahren Teil der IceCube-Kollaboration und trägt sowohl zur Weiterentwicklung des Detektors als auch zur Auswertung seiner Daten bei. Schon vor der Fertigstellung von IceCube beteiligten sich Dortmunder Forschende an der Suche nach astrophysikalischen Neutrinoquellen. Dafür nutzten sie unter anderem Daten des Vorgängerexperiments AMANDA, die ebenfalls im antarktischen Eis aufgezeichnet wurden, sowie frühe IceCube-Daten. Da einzelne astrophysikalische Quellen oft nur wenige nachweisbare Neutrinos erzeugen, wurden die Daten mehrerer möglicher Quellen gemeinsam ausgewertet, um auch schwache Signale erkennen zu können. Bereits mit Daten aus der Bauphase von IceCube konnten Dortmunder Forschende bei hohen Energien mehr Neutrinos feststellen, als allein durch Prozesse in der Erdatmosphäre zu erwarten waren. Dieser Überschuss lieferte Hinweise darauf, dass ein Teil der Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen stammt. Um solche Signale zu erkennen und besser zu verstehen, sind aufwendige Simulationen und Verfahren zur Auswertung der Messdaten notwendig. Die Entwicklung entsprechender Simulationsprogramme und Methoden des maschinellen Lernens ist deshalb seit vielen Jahren ebenfalls ein wichtiger Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe. Dazu gehört auch das in Dortmund entwickelte Softwarepaket PROPOSAL, mit dem sich die Ausbreitung hochenergetischer Teilchen durch Materie simulieren lässt.

Neben der Suche nach astrophysikalischen Neutrinos beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe auch mit den Neutrinos und Myonen, die in der Erdatmosphäre entstehen. Sie werden erzeugt, wenn hochenergetische kosmische Strahlung auf Teilchen in der Atmosphäre trifft. Bei der Suche nach Neutrinos aus weit entfernten astrophysikalischen Quellen stellen die atmosphärischen Neutrinos und Myonen ein Störsignal dar, das sich mit den gesuchten Signalen überlagert. Um die astrophysikalischen Neutrinos in den Messdaten identifizieren zu können, ist es deshalb wichtig, die atmosphärischen Beiträge möglichst genau zu verstehen. Gleichzeitig liefern diese Teilchen selbst wertvolle Informationen über die Wechselwirkungen hochenergetischer kosmischer Strahlung. Dortmunder Forschende konnten erstmals bestimmen, wie die jahreszeitlichen Schwankungen des atmosphärischen Neutrinoflusses von der Energie abhängen. Eine Analyse atmosphärischer Myonen lieferte Hinweise auf sogenannte prompte Myonen, die beim Zerfall besonders kurzlebiger Teilchen entstehen. Außerdem wurde anhand von elf Jahren IceCube-Daten die Energie- und Richtungsverteilung des Myon-Neutrinoflusses rekonstruiert. Daneben leisten die in Dortmund entwickelten Analysemethoden auch wichtige Beiträge zur Neutrinoastronomie. So spielten die in Dortmund entwickelten Verfahren des maschinellen Lernens eine entscheidende Rolle bei der Analyse, die 2023 zum Nachweis hochenergetischer Neutrinos aus der Milchstraße führte.

Neben der Datenanalyse sind wir auch an der Weiterentwicklung des Detektors beteiligt. Für das jüngste IceCube-Upgrade wurden an der TU Dortmund rund 5000 Photomultiplier getestet und kalibriert, und auch bei der Installation am Südpol waren Mitglieder unserer Arbeitsgruppe vor Ort. Darüber hinaus leisten wir auch Beiträge zu IceCube-Gen2, der geplanten nächsten Generation des Experiments. Während IceCube Neutrinos anhand des von ihnen ausgelösten Lichts nachweist, soll ein zusätzlicher Radiodetektor den Nachweis von Neutrinos mit noch höheren Energien ermöglichen. In Dortmund entwickeln wir dafür unter anderem ein neues, vollständig digitales Data-Acquisition-System, neuronale Netze zur besseren Erkennung der Radiosignale und Verfahren zur Optimierung der Detektoranordnung.

Heute arbeiten mehr als 450 Forschende aus 58 Institutionen in 14 Ländern innerhalb der IceCube-Kollaboration zusammen. Der Nobelpreis für Francis Halzen ist damit auch eine besondere Anerkennung für ein Forschungsprojekt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt seit vielen Jahren gemeinsam arbeiten.

Bildnachweis: El País / Bernardo Pérez