Antares (Neutrinoteleskop)

Das ANTARES Neutrinoteleskop ist ein unterseeisches Großinstrument, welches für die Detektion von Neutrinos im Mittelmeer errichtet wurde. Es ist auf dem Meeresboden in etwa 2'500 m Tiefe, 30 km vor der Küste von Toulon in Südfrankreich errichtet worden. Ersteller und Betreiber ist ein Konsortium von Instituten, Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, Russland und Spanien. Die beteiligten Forschungsbereiche sind Astrophysik und Astronomie, Geophysik sowie Ozeanographie. Antares ist ein Akronym und steht für Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch.

Geschichte

Im Sommer 1996 hat eine Gruppe von Wissenschaftlern begonnen eine Studie für den Bau eines Neutrinoteleskopes im Mittelmeer zu erstellen. Bis 1999 haben die Mitarbeiter Daten zusammengetragen, welche belegen sollten, dass das Projekt überhaupt realisierbar ist. Im abschließenden Bericht wurden Umweltbedingungen, Verfügbarkeit der erforderlichen technischen Möglichkeiten sowie erwartete Kosten zusammengestellt und eine Empfehlung zur Weiterverfolgung an die Initianten abgegeben. Im Dezember 1999 wurde die erste Linie (String) mit Detektoren für den Versuch des Prototyps im Meer aufgebaut. Der Prototyp bestand aus 7 optischen Elementen für die Detektion mit dazugehörigen Bauteilen für die Positionierung im „Raum“ (Ausgleichen der Strömungen), sowie Stromversorgung und Kalibrierung aus der Zentrale. Sechs Monate später (Juni 2000) wurde der String wieder abgebaut und die gewonnenen Daten ausgewertet. Die Resultate zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen. Im Oktober 2001 konnte das 40 km lange „Kabel“ mit den optischen Leitern für die Datentransmission und für die Stromversorgung erfolgreich verlegt und im Dezember des folgenden Jahres angeschlossen werden. Am 17. März 2003 wurden die ersten Signale des ersten provisorischen Strings empfangen (immer noch im Stadium eines Prototyps, aber komplett mit allen Bauteilen ausrüstet). Die offizielle Einweihung der Antares Station erfolgte am 18. November 2003. Erst Anfangs 2006 wurde mit der Installation der definitiven Strings begonnen und im März die ersten Daten gespeichert. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde die nötige Infrastruktur am Grund des Standortes aufgebaut, bestehend aus Leitungen, Anschluss-Stellen, wie auch Geräten für andere Forschungsgebiete. So wurde mit einem zum gesamten Projekt gehörenden Seismometer im August 2005 ein Erdbeben in Japan mit der Magnitude 6.2 registriert. Bereits im September des gleichen Jahres (2006) konnte der zweite String angeschlossen und dem Betrieb übergeben werden. Nachdem fünf Strings in Betrieb waren, konnte im Februar 2007 zum ersten Mal die Richtung aus dem Empfang von aktuellen Signalen errechnet werden. Es handelte sich in diesem Fall vermutlich um einen Atmosphärischen Neutrino aus der südlichen Erdhemisphäre kommend.^[1] Am 30. Mai 2008 konnten die letzten zwei Strings installiert und angeschlossen werden, was die Fertigstellung des momentan größten unterseeischen Neutrinoteleskopes bedeutete.

Aufbau und Funktionsweise

Aufbau des Teleskopes skizziert

Tscherenkow-Licht Detektoreinheit mit 3 Elementen

Siehe Hauptartikel: Tscherenkow-Strahlung

Da Neutrinos praktisch masselos sind und als Neutralteilchen keiner elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen, können sie nur sehr schwer nachgewiesen werden. Der Nachweis von Neutrinos im Antares Experiment erfolgt nach dem Tscherenkow-Prinzip. Pawel Alexejewitsch Tscherenkow entdeckte 1934 das Licht-Phänomen und ordnete es mit seinem Kollegen Wawilow richtigerweise der elektromagnetischen Strahlung von Kernelementen zu. Tscherenkow erhielt dafür 1958 den Nobelpreis. Die Strahlung entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium durch dieses Medium bewegt. Die Geschwindigkeit des Lichtes durch das Wasser zum Beispiel ist um knapp ein Drittel langsamer als im Vakuum. Entsteht bei einer Kernreaktion, die durch das Neutrino hervorgerufen wird, ein geladenes Sekundärteilchen wie z.B. ein Elektron oder ein Myon, so wird, wenn sich dieses Teilchen nun schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium bewegt, Tscherenkow-Strahlung ausgesendet. Vergleichbar ist dieser Effekt mit dem Überschallknall, der auftritt, wenn ein Objekt von Unterschallgeschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Bei diesem Prozess wird Tscherenkow-Strahlung ausgesendet, die sich unter anderem im sichtbaren Wellenlängenbereich als Tscherenkow-Licht bemerkbar macht.

Bedingt durch die geringen Wirkungsquerschnitte für Reaktionen von Neutrinos mit Atomkernen, müssen Detektoren entsprechend großräumig aufgebaut werden um eine ausreichende Signalausbeute zu erreichen. Der Antares - Detektor bedeckt auf dem Grund des Meeres eine Fläche von 0.1 km². Dies ist im Vergleich zu anderen Neutrinodetektoren relativ klein, aber dafür ist der Schild zur Abschirmung von den übrigen Partikeln enorm groß: Die Erde. Die Detektorelemente sind zum Boden des Meeres ausgerichtet und registrieren somit die Neutrinos, welche von der südlichen Himmelssphäre kommen. Praktisch alle geladenen Teilchen (Ionisierte Atome, Protonen, Elektronen) werden durch das Erdmagnetfeld mehr oder weniger stark abgelenkt, nicht aber die schwach wechselwirkenden Neutrinos. Auf diese Weise können durch das räumlich aufgebaute System mit den in 12 Strings angeordneten etwa 1.000 Detektorelementen die Richtung und Geschwindigkeit der Neutrinos ermittelt werden. Der Energiebereich, in dem gemessen wird, ist E > 10 GeV. Bei Wellenlängen zwischen 400 bis 500 nm arbeiten die gewählten Photomultiplier am effizientesten, gleichzeitig ist die Transparenz des Wassers für diesen Bereich des Lichts am höchsten, was eine gute Ausbeute an Daten und Informationen verspricht. Die Emission von Tscherenkow-Licht im Wellenlängenbereich von 285 bis 400 nm ist etwa doppelt so hoch wie im gemessenen Spektralbereich, Strahlung in diesem Wellenlängenbereich kann aber aufgrund der eingesetzten Photoelemente nicht verwertet werden.

Aktuelles

Am 24. Juni 2008 wurde eine Störung in der Stromversorgung festgestellt. Die Untersuchungen ergaben, dass ein Defekt am Kabel vorliegen musste. Der Ort des Defektes wurde in 25 km Distanz zur Küste lokalisiert. Die Reparaturarbeiten dauerten etwa 5 Tage, wobei ein Teil des Kabels ersetzt werden musste. Die Ursache des Defektes ist Gegenstand von laufenden Untersuchungen. Am 6. September konnte die Anlage wieder ihrem Betrieb übergeben werden.^[2]

Quellen

Homepage Antares

Einzelnachweise

1. ↑ siehe February 21st, 2007, First Neutrinos detected
2. ↑ siehe September 6th, 2008, Antares back to life...