IceCube Neutrino: Observatorium, das die schwer fassbaren Partikel im Universum jagt Set für 37 Millionen Dollar Upgrade

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Das IceCube Neutrino Observatorium ist ein einzigartiger Detektor, der tief im Eis am Südpol vergraben ist und einige der seltsamsten Partikel im Universum beobachten soll. Nun soll die Anlage ein Upgrade in Höhe von 37 Millionen Dollar erhalten, um ihre Fähigkeiten zu verbessern, mit der Absicht, faszinierende neue Einblicke in die Natur des Kosmos zu geben.

Das von einer internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaftlern betriebene Observatorium, das sich über einen Kubikkilometer Eis erstreckt, dient der Suche nach Neutrinos: unsichtbare, nahezu massefreie subatomare Partikel, die aufgrund ihrer fehlenden elektrischen Ladung selten mit der normalen Materie interagieren. Neutrinos reisen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum und passieren oft ganze Planeten, Sterne und Galaxien ungehindert. Tatsächlich geistern jede Sekunde Hunderte von Milliarden dieser Neutrinos durch unseren Körper.

Aber obwohl sie nach Photonen die zweithäufigsten Partikel im Universum sind, sind die Partikel von Lichtneutrinos im Vergleich zu anderen Materiearten nicht gut verstanden, gerade weil sie nicht mit anderen Formen interagieren.

Ein besseres Verständnis dieser schwer fassbaren subatomaren Partikel könnte einige der extremsten Phänomene im Universum – wo Neutrinos entstehen – wie explodierende Sterne, Gammastrahlenausbrüche, Neutronensterne und Schwarze Löcher – in ein neues Licht rücken, so die Website von IceCube. Sie fungieren als eine Art “astronomischer Bote”, der in geraden Linien von seiner Quelle aus reist, ohne von anderer Materie beeinflusst zu werden. So können sie Informationen über Ereignisse liefern, die sich in den Weiten des Universums abspielen.

Die Erforschung von Neutrinos kann Wissenschaftlern helfen, einige der dauerhaften Geheimnisse der Physik zu erforschen, wie die Eigenschaften des Neutrinos, den Ursprung der kosmischen Strahlung und die Natur der 96 Prozent des Materials im Universum, die wir nicht sehen können – dunkle Materie (23 Prozent) und dunkle Energie (73 Prozent).

“Neutrinos sind die letzte unerforschte Ecke des Standardmodells der Physik”, sagte Kael Hanson, IceCube Upgrade Principal Investigator von der University of Wisconsin-Madison – die für die Wartung und den Betrieb des Detektors verantwortlich ist – in einer Erklärung. “Neutrinos haben Eigenschaften, die das Standardmodell nicht erklären kann”, stellte er fest und verwies auf das beste verfügbare Modell, um das Verhalten subatomarer Partikel und die fundamentalen Kräfte des Universums zu beschreiben.

Die Erkennung von Neutrinos ist eindeutig ein schwieriges Unterfangen. Um dies zu erreichen, beobachtet IceCube – das hauptsächlich von der National Science Foundation (NSF) finanziert wird – das Licht von sekundär geladenen Teilchen, “die entstehen, wenn ein einzelnes Neutrino in einem Atom auf ein Proton oder Neutron trifft”, so die Website der Sternwarte.

Um dies zu erreichen, ist jedoch ein großes Volumen an transparentem Material erforderlich, um das Licht einzufangen, das nur bei einem dieser extrem seltenen Ereignisse entsteht – das sich über mehr als einen Kilometer erstrecken kann.

Deshalb wurde das Observatorium am Südpol gebaut, dem einzigen Ort auf dem Planeten, der genügend Mengen eines geeigneten, großen, transparenten Materials beherbergt – d.h. klares, reines und stabiles Wassereis und die erforderliche wissenschaftliche Infrastruktur zur Unterstützung der Forschung.

An diesem Standort installierten Wissenschaftler und Ingenieure mehr als 5.000 einzelne Lichtdetektoren in achtzig bis sechs 1,5 Meilen tiefen Löchern im Eis. Nun haben das NSF und andere internationale Partner die Finanzierung zur Erweiterung der derzeitigen Detektionsmöglichkeiten der Sternwarte genehmigt – mit den Upgrades, die zwischen 2022 und 2023 installiert werden sollen.

Das Hauptziel ist es, die Fähigkeit der Beobachtungsstelle zu verbessern, die Schwingungseigenschaften von Neutrinos zu untersuchen, was dazu führen kann, dass sie von einem Typ zum anderen wechseln (es gibt drei bekannte Typen.) Das Verständnis dieser Veränderungen kann helfen, die Eigenschaften des Neutrinos zu beleuchten und das Standardmodell der Teilchenphysik zu verfeinern.

“Das Ziel des Upgrades ist es, die Leistung des Detektors sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Energien zu verbessern. Bei niedrigen Energien wird es uns ermöglichen, mit unseren Neutrinooszillationen auf die nächste Stufe zu gehen”, sagte Tyce DeYoung, IceCube Upgrade Co-Principal Investigator von der Michigan State University.

Das zweite Ziel ist es, ein besseres Verständnis des Eises um den Detektor herum zu gewinnen, das eine bessere Beobachtung der Neutrinos mit höheren Energien ermöglicht, die durch extreme astronomische Phänomene entstehen.

“Es wird uns die Möglichkeit geben, den gesamten IceCube-Detektor viel besser zu kalibrieren, was zu einer besseren Auflösung unserer Neutrinoereignisse führen wird”, sagte Marek Kowalski, Professor für Physik an der Desy & Humboldt Universität Berlin.

IceCube erkennt auch Neutrinos mit niedrigerer Energie, die aus weitaus weniger extremen Quellen stammen können, wie z.B. die Kollision von subatomaren Teilchen in der Erdatmosphäre.

Die neuesten Upgrades sind die ersten in einer Reihe von Erweiterungen der bestehenden IceCube-Anlage, die zusammengenommen noch mehr Empfindlichkeit und Präzision bieten werden, als derzeit verfügbar ist.

Wissenschaftler hoffen, dass solche Ergänzungen zu weiteren Unterzeichnungen führen werden.

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