Neutrinos aus dem Eis: Die Physik hinter dem Nobelpreis 2026

Wenn Astronomen das Universum erkunden, bauen sie meist riesige Spiegel aus Glas oder schicken Teleskope ins All. Francis Halzen hatte Ende der 1980er-Jahre eine andere Idee: Er wollte tausende Lichtsensoren im ewigen Eis des Südpols versenken, um dort nach Teilchen zu fahnden, die eigentlich fast alles ungehindert durchdringen. Mit dieser Hartnäckigkeit ebnete der belgisch-amerikanische Physiker den Weg zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos aus dem Kosmos. Dass aus der Idee ein funktionierendes Observatorium wurde, ist das Verdienst, für das Francis Halzen den Nobelpreis für Physik 2026 erhält.

Seine besondere Rolle bestand darin, die Idee eines Detektors im Polareis über Jahrzehnte voranzutreiben: vom Konzept und dem Vorläufer AMANDA bis zum Bau und wissenschaftlichen Betrieb von IceCube.

Warum Astronomen „Geisterteilchen“ jagen

Die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung sind überwiegend Protonen und Atomkerne. Irgendwo im All müssen natürliche Beschleuniger sie auf enorme Energien bringen. Ihre Herkunft lässt sich jedoch nicht einfach aus der Richtung ablesen, aus der sie die Erde erreichen: Als elektrisch geladene Teilchen werden sie unterwegs von Magnetfeldern abgelenkt.

Neutrinos bieten hier einen anderen Zugang. Aber was genau sind diese Teilchen? Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die fast keine Masse besitzen. Sie wechselwirken ausschließlich über die schwache Kernkraft und die Gravitation, weshalb sie problemlos durch gewöhnliche Materie hindurchfliegen. Jeden Sekundenbruchteil durchqueren Milliarden von ihnen unbeobachtet die Erde und sogar unsere eigenen Körper.

In astrophysikalischen Umgebungen entstehen sie, wenn jene hochbeschleunigten Protonen oder Atomkerne der kosmischen Strahlung auf umgebendes Gas oder intensive Strahlungsfelder treffen. Bei solchen Kollisionen werden unter anderem sogenannte Pionen erzeugt. Während neutrale Pionen in Gammastrahlung zerfallen, entstehen beim Zerfall geladener Pionen Myonen und Neutrinos; die Myonen zerfallen ihrerseits unter Aussendung weiterer Neutrinos.

Weil Neutrinos keine elektrische Ladung besitzen, fliegen sie nach ihrer Entstehung nahezu geradlinig weiter und können selbst dichte Quellregionen verlassen, aus denen andere Strahlung nicht entkommt. Ein hochenergetisches Neutrino ist damit ein wertvoller Bote von Prozessen, an denen extrem energiereiche Protonen beteiligt sind.

Da Neutrinos so extrem selten wechselwirken, braucht ein Detektor riesige Mengen an Materie, um überhaupt genügend Treffer zu registrieren. Halzen und sein Kollege John Learned schlugen 1988 vor, dafür tiefes antarktisches Eis zu nutzen.

Wie IceCube einen Treffer erkennt

IceCube misst Neutrinos nicht direkt. Trifft eines auf einen Atomkern im Eis, können elektrisch geladene Teilchen entstehen. Da Licht im Eis abgebremst wird, können sich diese Teilchen schneller fortbewegen als das Licht in diesem Medium. Tun sie das, entsteht eine Art optischer Überschallknall: das sogenannte Tscherenkow-Licht. Die absolute Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wird dabei natürlich nicht überschritten.

Mehr als 5000 optische Module des ursprünglichen IceCube erfassen, wann und wie stark dieses Licht an verschiedenen Stellen eintrifft. Daraus lassen sich Eigenschaften des Ereignisses rekonstruieren. Ein entstehendes Myon kann eine lange Lichtspur hinterlassen, die vergleichsweise gut auf eine Richtung weist. Andere Wechselwirkungen erzeugen eher kompakte Teilchenschauer: Bei ihnen lässt sich die Energie oft besser, die Richtung aber weniger präzise bestimmen.

Die eigentliche Schwierigkeit liegt anschließend in der Auswertung. Auch gewöhnliche kosmische Strahlung erzeugt in der Erdatmosphäre Myonen und Neutrinos. Forschende müssen diese Hintergrundereignisse von einem viel selteneren astrophysikalischen Signal unterscheiden. Im Jahr 2013 meldete die IceCube-Kollaboration erste Neutrinos mit Energien um ein Petaelektronenvolt, also 10^15 Elektronenvolt. Weitere Analysen zeigten, dass die beobachteten hochenergetischen Ereignisse nicht allein aus atmosphärischen Prozessen stammen können.

Vom Teilchen zur Himmelskarte

Der Nachweis eines kosmischen Neutrinostroms beantwortet noch nicht die Frage, welches Objekt ein einzelnes Teilchen ausgesandt hat. Ein wichtiger Schritt gelang nach einem IceCube-Ereignis vom September 2017: Folgebeobachtungen lieferten starke Hinweise auf den Blazar TXS 0506+056 als Quelle. Die damalige Lokalisierung der Quelle eines Hochenergie-Neutrinos zeigte, weshalb die Kombination verschiedener Beobachtungsmethoden so aufschlussreich ist: Das Neutrino gab die Richtung vor, andere Teleskope untersuchten die dortige Strahlung.

Nicht alle Neutrinos kommen aus fernen aktiven Galaxien. IceCube konnte auch eine diffuse Emission aus unserer eigenen Galaxie sichtbar machen. Für das erste Abbild der Milchstraße in Neutrinos wurden viele Ereignisse statistisch zusammengeführt. Als wesentlicher Entstehungsweg gilt, dass kosmische Strahlung auf Gas zwischen den Sternen trifft. Die Karte ist daher kein Foto einzelner leuchtender Objekte – und sie benennt noch keine eindeutig identifizierten galaktischen Punktquellen.

Wie viel Diskussionsbedarf die Herkunft solcher Teilchen weiterhin birgt, zeigt ein Fund des neuen Tiefseedetektors KM3NeT im Mittelmeer. Sein auf rund 220 Petaelektronenvolt geschätztes Rekordereignis hat verschiedene Erklärungsversuche ausgelöst. Die These, das Rekord-Neutrino könne von einem explodierten Schwarzen Loch stammen, ist bislang unbelegt – kein Nachweis eines solchen Objekts oder der Hawking-Strahlung. Ein Beitrag über rätselhafte Radiosignale aus dem Untergrund illustriert zudem, dass Detektormethode und erreichbarer Energiebereich eng zusammenhängen.

Gute Tradition: Neutrino-Nobelpreise

Halzens Auszeichnung steht in einer längeren Reihe von Neutrino-Nobelpreisen. 1988 wurden Leon M. Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger für die Entwicklung der Neutrinostrahlmethode und die Entdeckung des Myonneutrinos ausgezeichnet. Damit war experimentell gezeigt, dass es neben dem Elektronneutrino eine weitere Neutrinoart gibt.

1995 erhielt Frederick Reines den Preis für den ersten experimentellen Nachweis des Neutrinos, den er gemeinsam mit Clyde Cowan erbracht hatte. Genauer gesagt wiesen die beiden Elektron-Antineutrinos aus einem Kernreaktor nach. Cowan war zum Zeitpunkt der Preisvergabe bereits verstorben; Reines teilte sich den Nobelpreis mit Martin Perl, der für die Entdeckung des Tau-Leptons ausgezeichnet wurde.

2002 ging eine Hälfte des Physik-Nobelpreises an Raymond Davis Jr. und Masatoshi Koshiba für ihre Beiträge zum Nachweis kosmischer Neutrinos. Davis registrierte über Jahrzehnte Neutrinos von der Sonne mithilfe eines Tanks mit 600 Tonnen Tetrachlorethen. Koshiba und sein Team konnten unter anderem Neutrinos einer Supernova nachweisen. Wie unterschiedlich die Maßstäbe dieser Experimente und ihre Nachweismethoden waren, zeigt der damalige Bericht „600 Tonnen für den Physik-Nobelpreis“. Die andere Hälfte des Preises 2002 erhielt Riccardo Giacconi für die Röntgenastronomie.

Der Physiknobelpreis 2015 würdigte schließlich den Nachweis, dass Neutrinos auf ihrem Weg zwischen verschiedenen Typen wechseln können – und deshalb Masse besitzen müssen. Wie groß ihre Masse ist, untersucht unter anderem das Karlsruher KATRIN-Experiment. Die 2022 gemeldete Unterschreitung der Grenze von 0,8 eV bei der Messung der Neutrinomasse betrifft also eine andere Frage als Halzens Arbeit: KATRIN erforscht eine grundlegende Teilcheneigenschaft, IceCube nutzt Neutrinos als Boten aus dem All. 2025 senkte KATRIN die gemessene Obergrenze auf 0,45 eV.

Diese Beobachtungsmethode wird weiterentwickelt. Zum Jahreswechsel 2025/26 wurden über 600 neue Sensoren für IceCube im Eis versenkt. Sie sollen unter anderem Messungen bei niedrigeren Energien und eine genauere Kalibrierung ermöglichen. Der Nobelpreis würdigt aber bereits das, was Halzens Vision möglich gemacht hat: Aus antarktischem Eis wurde ein Instrument, mit dem sich das energiereiche Universum auf neue Weise untersuchen lässt.