Die DESY-Forscher sind auch in der Astroteilchenphysik aktiv. Die Erde ist einem Dauerregen von Teilchen aus dem Weltall ausgesetzt, die Auskunft über die fernen Weiten des Kosmos geben können. Die DESY-Forscher nutzen zwei dieser Himmelsboten, Neutrinos und hochenergetische Gammastrahlung, um den Geheimnissen von Sternexplosionen, kosmischen Teilchenbeschleunigern – wie zum Beispiel der Umgebung von schwarzen Löchern – oder der dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Das Neutrinoteleskop IceCube

Neutrinos sind extrem leichte Teilchen, die nahezu ungestört durch alles hindurchfliegen, was ihnen begegnet. Sie entstehen zum Beispiel im Inneren der Sonne oder bei Sternexplosionen, so genannten Supernovae. Pro Sekunde rasen etwa 60 Milliarden Sonnenneutrinos durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – fast ohne jede Reaktion mit ihrer Umgebung. Die geisterhaften Teilchen lassen sich daher nur mit viel Aufwand nachweisen, in großen Tanks in Bergwerken oder mit Messapparaturen in Seen, Ozeanen oder im ewigen Eis des Südpols.

Neutrinos liefern wichtige Informationen über das Geschehen im Kosmos. So wie Licht bestimmte Phänomene sichtbar macht, „sieht“ man andere mit Hilfe von Neutrinos. Gerade die Tatsache, dass sie sehr selten mit ihrer Umgebung reagieren, macht sie zu idealen Himmelsboten. Denn Neutrinos erreichen die Erde auf direktem Weg, z.B. von den Zentren fremder, Millionen oder Milliarden Lichtjahre entfernter Galaxien. Licht- oder Gammastrahlen aus diesen Galaxien bleiben auf ihrem Weg zur Erde leicht in Materiewolken stecken; geladene Teilchen werden durch kosmische Magnetfelder abgelenkt, so dass sich ihr Ursprung nicht mehr feststellen lässt. Neutrinos stören weder Materiewolken noch Magnetfelder – deshalb können sie Informationen aus Regionen des Kosmos liefern, von denen kaum ein anderes Signal bis zur Erde vordringt.

Teleskope für Neutrinos

Aufgrund der gewaltigen Entfernungen treffen hochenergetische Neutrinos aus dem All nur selten auf die Erde. Um sie aufzuspüren, müssen die Forscher deshalb Neutrinoteleskope bauen, die hundert- oder tausendmal größer sind als die Detektoren in Schächten oder Tunneln, die für den Nachweis von Sonnenneutrinos verwendet werden. Solche gigantischen Instrumente werden tief ins Wasser oder ins Eis eingelassen. Gemeinsam mit Kollegen aus zahlreichen anderen Ländern sind die DESY-Forscher den Geisterteilchen mit Neutrinoteleskopen im Baikalsee und am Südpol auf der Spur.

In der Antarktis befindet sich tief ins Polareis eingeschmolzen das Neutrinoteleskop AMANDA, das bis Ende 2010 zu IceCube, dem größten Teilchendetektor der Welt, ausgebaut wurde. Durch den Nachweis hochenergetischer Neutrinos aus dem Weltraum wollen die Forscher die Ursprünge der kosmischen Strahlung untersuchen und die ersten Fähnchen auf die gegenwärtig noch weiße Himmelskarte des Hochenergie-Neutrinouniversums stecken. Weiterhin nutzen sie die Neutrinoteleskope, um den seltenen Supernova-Explosionen aufzulauern und nach Teilchen der dunklen Materie oder noch exotischeren Partikeln wie etwa magnetischen Monopolen zu fahnden.

Kosmische Spuren im ewigen Eis

Das Neutrinoteleskop IceCube besteht aus mehreren tausend Glaskugeln mit Lichtsensoren, so genannten optischen Modulen, die an langen Drahtseilen befestigt wie Perlschnüre knapp 2,5 Kilometer tief ins Polareis der Antarktis eingeschmolzen werden. Der dicke Eispanzer schirmt Störsignale weitgehend ab. Das kristallklare Eis erlaubt es, die Herkunftsrichtung der Teilchen zu bestimmen: Bei der Reaktion eines Neutrinos mit einem Atomkern entsteht ein Myon, ein Teilchen, das in Wasser oder Eis so genannte Cherenkov-Strahlung aussendet. Die Elektronik in den Glaskugeln zeichnet den Lichtkegel der Cherenkov-Strahlung und damit die Bahn des Myons auf. Aus den Sensordaten, die an die Messstation an der Oberfläche gesandt werden, lässt sich die Richtung des Verursacher-Neutrinos berechnen.

Verblüffenderweise führen Neutrinoreaktionen nicht nur zu optischen, sondern auch zu akustischen Signalen. Allerdings werden die winzigen Knall-Laute nur von extrem hochenergetischen Neutrinos erzeugt. Ob die Neutrinos am Südpol auch akustisch nachgewiesen werden können, wird derzeit mit der Test-Anordnung SPATS (South Pole Acoustic Test Setup) untersucht.

Als größter Teilchendetektor der Welt wird IceCube ein Volumen von einem Kubikkilometer umfassen und etwa 30 Mal so empfindlich sein wie sein Vorgänger AMANDA, dessen optische Module mittlerweile Teil von IceCube sind. Zusätzlich wird das Neutrinoteleskop durch ein weiteres, einen Quadratkilometer großes Detektorfeld namens IceTop an der Eisoberfläche ergänzt, dessen 80 Detektorstationen direkt oberhalb der Lichtsensoren von IceCube installiert werden. Mit Hilfe von IceTop wollen die Wissenschaftler ausgedehnte Luftschauer beobachten, die von hochenergetischer kosmischer Strahlung in der Atmosphäre ausgelöst werden. In Zeuthen wurde ein Viertel der Detektormodule von IceCube produziert. Auch an der Datenanalyse von IceCube und IceTop sind die Zeuthener Forscher maßgeblich beteiligt.