IceCube-Observatorium schließt Modernisierung am Südpol ab: Neue Sensoren und tiefste Seismometer installiert

Das IceCube-Neutrino-Observatorium, das an der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis betrieben wird, hat eine umfassende Modernisierung seiner Infrastruktur erfolgreich abgeschlossen. Durch dieses bedeutende Upgrade wurden die Kapazitäten zur Registrierung von Neutrinos mit niedriger Energie erheblich erweitert. Das Projekt umfasste drei intensive Feldkampagnen, die im Jahr 2023 begannen und Anfang 2026 finalisiert wurden. Ein zentraler Bestandteil der Arbeiten war das präzise Bohren von Löchern in eine Tiefe von mehr als 1,6 Kilometern direkt in das ewige Eis.

Im Rahmen dieser Modernisierungsmaßnahmen wurden über 600 neue, hochempfindliche optische Sensormodule installiert. Diese sind auf sechs zusätzliche Kabel verteilt, wodurch sich die Gesamtzahl der Kabelstränge im Array auf nunmehr 92 erhöht hat. Das gesamte System ist in einem Kubikkilometer antarktischen Eises eingebettet. Die gesteigerte Sensordichte ist von entscheidender Bedeutung, um die Empfindlichkeit gegenüber Neutrino-Oszillationen massiv zu verbessern. Damit festigt IceCube seine Position als weltweit führende Einrichtung für die Messung atmosphärischer Neutrinos über extrem weite Distanzen hinweg.

Die neu eingesetzten Module, darunter die sogenannten Multi-PMT Digital Optical Modules (mDOM) und die D-Egg-Sensoren, weisen eine zwei- bis dreifach höhere Empfindlichkeit auf als ihre Vorgängermodelle. Dieser technologische Sprung ermöglicht es den Forschern, die in den letzten 15 Jahren gesammelten Datenbestände einer völlig neuen Analyse zu unterziehen. Dies wird voraussichtlich zu weitaus präziseren Bestimmungen der Neutrino-Flavours und der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung führen. Laut der National Science Foundation (NSF) sichert dieses Upgrade den Vereinigten Staaten die technologische Spitzenposition in der Neutrinophysik, insbesondere als Vorbereitung auf die geplante Erweiterung IceCube-Gen2.

Parallel zu den Neutrino-Forschungen wurden in enger Zusammenarbeit mit dem United States Geological Survey (USGS) zwei neue Seismometer installiert. Diese gelten nun als die am tiefsten platzierten Sensoren ihrer Art, die jemals weltweit eingesetzt wurden. Die Geräte wurden in einer Tiefe von über 8.000 Fuß – was etwa 2,5 Kilometern entspricht – unter dem massiven Eisschild des Südpols positioniert. Sie nutzen die dort herrschende, extrem geräuscharme Umgebung, um die globale Seismizität zu überwachen und die Struktur der tiefen Erdschichten mit einer bisher unerreichten Präzision zu kartieren. Die Inbetriebnahme erfolgte im Januar 2026 und erweitert das Global Seismographic Network des USGS maßgeblich, unterstützt durch die wissenschaftliche Partnerschaft mit der University of Wisconsin-Madison.

Diese speziellen Seismometer wurden so konstruiert, dass sie den extremen Bedingungen am Pol, wie der immensen Kälte und einem Umgebungsdruck von bis zu 8.500 Pfund pro Quadratzoll, problemlos standhalten. Die von ihnen gelieferten Daten leisten einen wichtigen Beitrag zur globalen Katastrophenvorsorge, indem sie Tsunami-Frühwarnsysteme unterstützen und die Überwachung von nuklearen Tests verbessern. Ein interessantes Detail der Konstruktion ist, dass für die Schutzgehäuse Designs verwendet wurden, die ursprünglich für IceCube-Experimente zur Suche nach Dunkler Materie konzipiert waren. Dies unterstreicht die synergetische Nutzung von Ressourcen für das langfristige geophysikalische Monitoring am Südpol.

Die gesamte Modernisierung von IceCube nahm einen Zeitraum von etwa sieben Jahren in Anspruch, wobei ein großer Teil auf die Entwicklung der spezialisierten Hardware entfiel. Diese Arbeiten bilden das Fundament für die zukünftige Expansion zum IceCube-Gen2-Observatorium. Dieses Nachfolgeprojekt ist als gewaltige Erweiterung der aktuellen Anlage geplant und wird drei spezialisierte Arrays umfassen: ein erweitertes optisches Array, ein großflächiges Radio-Array zur Erfassung von Neutrinos mit ultrahochenergetischen Werten sowie ein Oberflächen-Array zur Detektion kosmischer Schauer.

Das Ziel dieser künftigen Großanlage ist es, den Himmel im Bereich hochenergetischer Neutrinos – von Teraelektronenvolt (TeV) bis hin zu Exaelektronenvolt (EeV) – detailliert aufzulösen. Damit sollen fundamentale Fragen über den Ursprung der energiereichsten Teilchen im Universum beantwortet und die theoretischen Grenzen des Standardmodells der Physik auf die Probe gestellt werden. Der erfolgreiche Abschluss des aktuellen Upgrades, das die Empfindlichkeit im GeV-Bereich optimiert, garantiert der internationalen Forschungsgemeinschaft eine lückenlose Datenaufnahme bis zur vollständigen Implementierung der nächsten Detektorgeneration.