IceCube-Experiment – Vortrag des Physikers Martin Rongen

5. März 2019 11:02

Am 23. Januar 2019 um 11.30 Uhr hielt der Physiker und ehemalige Stift-Schüler Martin Rongen (Abi 2009) in unserer Aula vor ca. 200 interessierten Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 9-Q2 einen Vortrag zu einem der weltweit berühmtesten Physikexperimente. Martin Rongen promoviert und arbeitet derzeit sowohl am III. Physikalischen Institut der RWTH Aachen als auch am IceCube-Experiment, was zum Teilgebiet der Astro-Teilchenphysik gehört. Das Experiment dient zum Nachweis von speziellen Elementarteilchen, den Neutrinos, die von der Sonne oder einer Supernova stammen.

Nachdem Ulrich Meyer, der stellvertretende Schulleiter und Physiklehrer, Martin Rongen begrüßt hatte, startete der Vortrag zu den folgenden Inhalten:

  1. Grundlagen zur Astroteilchenphysik: Was sind Neutrinos? Warum Neutrinoastronomie? Warum am Südpol?
  2. Details zum IceCube-Experiment
  3. Eigene Forschung
  4. Südpol: Hinreise, Leben und Arbeiten

1. Grundlagen zur Astroteilchenphysik

Das IceCube-Experiment mit seiner Neutrinodetektion ist ein Teilgebiet sowohl der Teilchenphysik als auch der Astronomie.

Bezug zur Teilchenphysik: Um den Betazerfall zu erklären, nahm der Physiker Pauli ein drittes Teilchen an, das Neutrino. Es hat fast keine Masse, keine Ladung und ist ein sehr kleines Elementarteilchen, so dass es sich ähnlich wie das Photon (Lichtteilchen) verhält.

Bezug zur Astrophysik: Dieser Bereich beschäftigt sich im Wesentlichen mit Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Lichts und nutzt auch Strahlung stabiler Teilchen wie Protonen und Neutrinos. Die Hälfte der messbaren Radioaktivität kommt aus dem Universum und jede Art von kosmischer Strahlung, wie z. B. Protonen, hat ihren eigenen Fußabdruck. Bei radioaktiven Zerfällen entstehen neben Protonen auch Neutrinos. Zwei Vorteile bei der Beobachtung von Neutrinos sind, dass sie zum einen aufgrund ihrer elektrischen Neutralität im Gegensatz zu elektrisch geladenen Teilchen in galaktischen und intergalaktischen Magnetfelder nicht abgelenkt werden und zum anderen im Gegensatz zu Licht nicht mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken. Neutrinoquellen sind z. B. unsere Sonne und die Supernova SN1987a.

2. Details zum IceCube-Experiment

Neutrinos können aufgrund der Wechselwirkung mit Materie (Cherenkovstrahlung) mithilfe von Photomultipliern über Energie- und Impulsmessungen detektiert werden. Ein Demonstration-Detektormodul hatte Martin Rongen zur Veranschaulichung aus Aachen mitgebracht. Dabei ist es möglich diese Wechselwirkung bis auf 2 ns genau zu bestimmen. Aufgrund des geringen Wirkungsquerschnitts von Neutrinos ist zur Messung der Neutrinos sehr viel Material notwendig, weshalb das ab 1,5 km Tiefe optisch durchsichtige Antarktiseis geeignet ist. Die Sensoren wurden dazu in 2,5 km tiefen Bohrungen mithilfe von heißem Wasser mit einem Durchmesser von 60 cm platziert. Die Eigenschaften der Bohrlöcher wie den dort herrschenden großen Drücken müssen beachtet werden.

Trifft ein Neutrino auf das Eis, wird ein Muon und ein Atomkern angestoßen, so dass die Energie detektiert werden kann. Es werden ungefähr 3000 Muonen pro Sekunde und alle 15 Minuten ein Neutrino nachgewiesen. Augenfällige astrophysikalische Ereignisse werden dann mit den Ergebnissen anderer physikalischer Experimente und der dort vorhandenen Teleskope innerhalb weniger Minuten abgeglichen, um zum Beispiel ein schwarzes Loch zu entdecken. Eine zentrale Fragestellung ist, aus welcher Art von Ereignissen Neutrinos stammen, um idealerweise die derzeitige Himmelskarte zu vervollständigen.

3. Eigene Forschung

Im Zuge seiner Forschung war Martin Rongen bisher zweimal in der Antarktis über einen Zeitraum von jeweils etwa zwei Monaten, dafür benötigte Programme schrieb er vorher in Aachen. Seine Promotion möchte er im Sommer abschließen. Sein Dissertationsthema umfasst die optischen Eigenschaften des stark verdichteten Südpoleises, das in einigen Kilometern Tiefe existiert.

4. Der Südpol: Hinreise, Leben und Arbeiten

Die Hinreise über mehrere Stationen wie Christchurch in Neuseeland und mithilfe amerikanischen Militärflugzeugen des Typs LC130 aus den 60er Jahren ist abenteuerlich. Interessant ist, dass der Südpol selbst sich aufgrund von Eisströmen um ca. 10 m pro Jahr verschiebt. Die Antarktis ist eine Eiswüste, in der es keine Vegetation gibt, die eine der kältesten und trockensten Orte der Welt ist und in der es im Sommer permanent hell ist. Körperliche Gesundheit ist eine notwendige Bedingung, um dorthin fliegen zu dürfen. An Tieren erinnert sich Martin Rongen vor allem an Wale, Pinguine und Robben an der Antarktisküste. Die Forschungseinrichtungen müssen neben Arbeits- und Schlafräumen gut ausgestattete Gemeinschaftsräume enthalten und gutes Essen anbieten, um einem Lagerkoller vorzubeugen. Da das Schmelzen von Eis nur begrenzt möglich ist, ist das Duschen nur zweimal die Woche jeweils zwei Minuten lang möglich.

Als Dank für den begeisternden, sehr informativen und interessanten Vortrag überreichte der einladende Physiklehrer Tobias Wiernicki-Krips als kleines Dankeschön der Schule neben Pralinen auch das Buch zur Geschichte unserer Schule von Dr. Achim Jaeger und Franz Schrott.

Die Vortragsfolien von Martin Rongen über das von der amerikanischen Wissenschaftsstiftung NSF finanzierte IceCube-Experiment sind hier als pdf erhältlich.

Bericht und Zusammenfassung: Wki
Fotos: Kli