Arbeiten der Universität Chiba an IceCube tragen zum Physik-Nobelpreis 2026 für Francis Halzen bei

Japans einziges IceCube-Team ist an einem internationalen Erfolg beteiligt

Francis Halzen, 82, von der University of Wisconsin–Madison erhält den Nobelpreis für Physik 2026 für das IceCube-Neutrinoobservatorium und dessen Entdeckung hochenergetischer Teilchen aus weit entfernten kosmischen Quellen. Mit der Bekanntgabe am 6. Oktober wird auch eine wissenschaftliche Zusammenarbeit gewürdigt, zu der die Universität Chiba als einzige japanische Institution seit 2002 beiträgt.

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften erklärt in ihrer Bekanntgabe des Nobelpreises, Halzen werde „für entscheidende Beiträge zum IceCube-Neutrinoobservatorium und die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs“ geehrt. Der Preis ist mit 12 Millionen schwedischen Kronen dotiert.

Der Beitrag Chibas reicht von der Identifizierung der ersten Signale kosmischer Neutrinos bis zum Bau von Instrumenten, die heute unter dem Südpol liegen. Die Forschenden halfen dabei, ein Neutrino mit einer weit entfernten Galaxie in Verbindung zu bringen, waren an der ersten Beobachtung einer seltenen Antineutrino-Wechselwirkung beteiligt und fertigten rund 40 Prozent der mehr als 600 optischen Detektoren, die bei der jüngsten Erweiterung von IceCube installiert wurden.

Die Professoren der Universität, Shigeru Yoshida, 60, Direktor des International Center for Hadron Astrophysics, und Aya Ishihara, 52, begrüßten die Auszeichnung bei einer Pressekonferenz am 6. Oktober auf dem Nishichiba-Campus in der Stadt Chiba. Ishihara war per Video aus Nagoya zugeschaltet.

Der Nobelpreis wird Halzen persönlich verliehen. Die Erfolge des Observatoriums sind jedoch das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit von rund 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an 58 Institutionen in 14 Ländern. Die Rolle Chibas zeigt, wie eine kleine Forschungsgruppe sowohl bei der Auswertung der Beobachtungen als auch bei der Entwicklung der nächsten Gerätegeneration eine zentrale Position einnahm.

Von einer Idee aus dem Jahr 1988 zu einem Observatorium mit einem Kubikkilometer Volumen

Halzen stellte seine Idee, das Eis am Südpol zur Neutrinodetektion zu nutzen, erstmals 1988 vor. Er wurde 1944 im belgischen Tienen geboren, promovierte 1969 an der KU Leuven und wurde Professor an der University of Wisconsin–Madison. Sein Vorschlag sah vor, ein riesiges Volumen natürlichen Eises in einen Teilchendetektor zu verwandeln, statt ein herkömmliches Laborgefäß zu bauen.

Das fertige Observatorium nutzt einen Kubikkilometer Eis unter der Amundsen-Scott-Südpolstation als Detektor. Die ursprüngliche Anlage umfasst 5.160 optische Module, die an 86 Kabeln verteilt sind, mit jeweils 60 Modulen pro Kabel.

Der Bau begann 2004. Die Angaben zum Abschluss unterscheiden sich: Laut der Projektchronik der Universität Chiba endeten die Bauarbeiten im Dezember 2010, während IceCube in der Nobelpreisbekanntgabe als 2011 fertiggestellt beschrieben wird. Der Betrieb aller 86 Kabelstränge begann 2011. Damit sind das Ende der Installation und der Beginn der Beobachtungen mit der vollständigen Anlage voneinander abgegrenzt.

Die ursprünglichen Baukosten wurden mit 271 Millionen US-Dollar angegeben; den größten Teil der Finanzierung stellte die US-amerikanische National Science Foundation bereit. In ihrer Stellungnahme zur Auszeichnung erklärt die NSF, sie habe mehr als zwei Jahrzehnte lang in Entwurf, Bau und Betrieb von IceCube investiert. Das US-Antarktisprogramm unterstützte den Bau an der abgelegenen Station.

Mark Pearce, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, würdigte Halzens Führung, durch die aus der Idee ein funktionierendes Observatorium wurde.

Francis Halzen hat ein internationales Team von Forschenden und Ingenieuren geleitet, das uns ein fantastisches Instrument zur Verfügung gestellt hat. Seine Beharrlichkeit und seine wissenschaftliche Vision haben den Weg für eine neue Art der Astronomie geebnet.

Wie Eis Teilchen nachweist, die normalerweise die Erde durchdringen

Neutrinos haben keine elektrische Ladung und wechselwirken nur äußerst selten mit Materie. Die meisten durchqueren die Erde, ohne eine nachweisbare Spur zu hinterlassen. Deshalb sind sie schwer zu beobachten, zugleich aber nützliche Boten: Magnetfelder lenken sie nicht ab, anders als geladene kosmische Teilchen.

Der Detektor fotografiert ein Neutrino nicht direkt. Wenn ein Neutrino gelegentlich mit einem Atomkern oder Elektron wechselwirkt, entstehen dabei geladene Teilchen. Diese Teilchen können Cherenkov-Licht aussenden, eine schwache Strahlung, die entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Material schneller bewegt als das Licht in diesem Material.

Die optischen Sensoren von IceCube erfassen den Zeitpunkt und die Helligkeit dieses Lichts. Anhand dieser Messwerte schätzen Forschende Energie und Richtung des einfallenden Teilchens. Das enorme Volumen gleicht aus, dass Neutrinos nur selten wechselwirken.

Die Projektbeschreibung von IceCube der Universität Chiba nennt für die ursprünglichen Module eine Tiefe von 1.450 bis 2.450 Metern. Andere Quellen geben größere Spannweiten an, darunter 1.400 bis 2.600 Meter. Bei der jüngsten Erweiterung wurde bis in 2.600 Meter Tiefe gebohrt. Diese Bautiefe ist nicht mit der Position der ursprünglichen Sensoren gleichzusetzen.

Die Module enthalten Photomultiplier, die winzige Lichtblitze in messbare elektrische Signale umwandeln. Hamamatsu Photonics mit Sitz in Hamamatsu, Japan, entwickelte Röhren, die in den IceCube-Detektoren eingesetzt werden. Damit ist neben den Forschenden der Universität auch die japanische Industrie beteiligt.

Der Nachweis von Licht ist nur der erste Schritt. Juan Carlos Díaz Vélez vom Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, der die Datenverarbeitung und Simulationen koordiniert, zufolge registriert IceCube auf jedes nachgewiesene Neutrino mehr als eine Million Myonen, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden. Myonen sind geladene Teilchen, die ebenfalls helle Spuren hinterlassen können. Sie bilden einen starken Hintergrund, von dem sich Neutrinoereignisse abgrenzen lassen müssen.

Díaz Vélez zufolge benötigen die Auswertung der Beobachtungen und die Erstellung von Simulationen etwa 10.000 CPU-Kerne und 1.000 Grafikprozessoren in verteilten Rechnernetzen. Auch die Rechenzentren der NSF helfen Forschenden laut der Stiftung, die IceCube-Messungen zu interpretieren.

Chibas erste Signale und das Entdeckungsjahr

Die Universität Chiba erklärt, ihre Gruppe sei 2002, bei der Gründung der IceCube-Kollaboration, beigetreten. Yoshida kannte Halzen bereits seit den 1990er-Jahren, doch der Einstieg in das Projekt war mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. In seiner Stellungnahme zur Auszeichnung erinnert er sich an weitverbreitete Zweifel daran, dass Neutrinos als praktisches Werkzeug zur Beobachtung des hochenergetischen Universums dienen könnten.

Ishihara schloss sich der Wisconsin-Gruppe im Januar 2005 an, nachdem sie 2004 promoviert hatte, und verlegte 2006 ihren Forschungsstandort nach Chiba. Sie beschreibt ein Team mit begrenztem Personal und Budget, das eine eigene Analysestrategie entwickelte, um innerhalb der wesentlich größeren Zusammenarbeit einen eigenständigen Beitrag zu leisten.

Diese Strategie half dabei, zwei außergewöhnlich energiereiche Ereignisse zu identifizieren. Die ausführliche Projektchronik Chibas datiert sie auf August 2011 und Januar 2012. Ihre gemessenen Energien betrugen 1,04 ± 0,16 und 1,14 ± 0,17 Petaelektronenvolt. Ein Petaelektronenvolt (PeV) entspricht einer Billiarde Elektronenvolt, einer Einheit zur Messung der Teilchenenergie.

Die Universität stellte die ersten Ergebnisse im Juni 2012 auf einer internationalen Konferenz vor. Im Juli 2013 folgte ein Artikel in Physical Review Letters, im Dezember 2013 erschien eine umfassendere Analyse in Science. Diese Abfolge erklärt, warum Chiba von einer Entdeckung im Jahr 2012 spricht, während die NSF und die Nobelpreisbekanntgabe von IceCube die wegweisenden Ergebnisse auf 2013 datieren.

Die Berichte unterscheiden sich darin, wann die beiden frühen Ereignisse beobachtet wurden: Eine Quelle nennt 2013 und 2014, während die ausführliche Darstellung Chibas sie auf 2011 und 2012 datiert. Auch bei den zusammengefassten Energiewerten gibt es in der Chronik der Universität unterschiedliche Angaben; die Einträge zu den einzelnen Ereignissen nennen jedoch die oben aufgeführten Werte und Unsicherheiten.

Durch weitere Analysen kamen zu den ersten beiden Ereignissen 26 weitere hinzu. Laut der Darstellung Chibas wurden unter den 28 Ereignissen etwa elf Hintergrundereignisse erwartet. Energie, Form und Ankunftsrichtung der Ereignisse sprachen mit einer statistischen Signifikanz von mehr als vier Standardabweichungen für einen kosmischen Ursprung.

Chiba vergleicht den neuen Energiebereich mit den 1987 vom Kamiokande-Experiment beobachteten Neutrinos und beschreibt einen Anstieg um etwa das 100-Millionen-Fache. Die NSF formuliert allgemeiner, die nachgewiesenen Neutrinos hätten mehr als die millionenfache Energie zuvor beobachteter Neutrinos gehabt. Die Vergleiche beziehen sich auf unterschiedliche Ausgangswerte und sind nicht als identische Messungen zu verstehen.

Ein Neutrino bis zu einer weit entfernten Galaxie zurückverfolgen

Der Nachweis kosmischer Neutrinos zeigte, dass natürliche Teilchenbeschleuniger sie erzeugen. Um ihre Quelle zu identifizieren, war ein weiterer Schritt nötig: Die geschätzte Ankunftsrichtung eines Neutrinos musste mit Beobachtungen anderer Instrumente abgeglichen werden.

Am 22. September 2017 japanischer Zeit registrierte IceCube das als IC170922A bekannte Ereignis. Gamma-Satelliten und optische Teleskope folgten dem Alarm und brachten das Ereignis mit TXS 0506+056 in Verbindung, einem Blazar, der mit einem supermassereichen Schwarzen Loch assoziiert ist. Die Ergebnisse wurden 2018 bekannt gegeben und in Science veröffentlicht.

Ein Blazar ist ein aktiver galaktischer Kern, dessen mächtiger Jet auf die Erde gerichtet ist. Der ursprüngliche Bericht beschreibt das Ergebnis von 2018 als Hinweis darauf, dass das Neutrino aus dem Blazar stammen könnte. Chiba bezeichnet es als erste Identifizierung einer Neutrinoquelle, während die NSF das Ergebnis von 2018 als eindeutigen Beleg für Neutrinos aus einem supermassereichen Schwarzen Loch in einer anderen Galaxie beschreibt.

Die Verbindung beruhte auf der sogenannten Multimessenger-Astronomie: Dabei wird dasselbe kosmische Geschehen anhand verschiedener Signale untersucht, in diesem Fall anhand von Neutrinos und mehreren Formen elektromagnetischer Strahlung. Das Neutrino lieferte Informationen, die Licht allein nicht bieten konnte; Beobachtungen mit Teleskopen halfen zugleich, das Objekt in seiner Richtung zu identifizieren.

Yasushi Fukazawa, Professor an der Universität Hiroshima und Spezialist für Beobachtungen des hochenergetischen Universums, würdigte Chibas Beiträge zur Entwicklung und Montage der Detektoren sowie zum System, das Neutrinoinformationen rasch an Sternwarten weltweit weiterleitet. Dieses Alarmsystem ermöglichte koordinierte Folgebeobachtungen.

IceCube hat inzwischen Hinweise auf Neutrinoemission aus einer weiteren Galaxie gemeldet: NGC 1068, auch Messier 77 genannt. 2023 gab das Experiment Beobachtungen von Neutrinos aus der Milchstraße bekannt. Damit entstand laut NSF das erste auf Neutrinos beruhende Bild unserer Galaxie. Das Experiment entwickelt sich damit vom Nachweis einzelner Teilchen zur Kartierung ihrer Quellen weiter.

Eine seltene Antineutrino-Wechselwirkung prüft die Teilchenphysik

Chiba war auch an einem 2021 in Nature veröffentlichten Ergebnis beteiligt: dem ersten Nachweis der Glashow-Resonanz durch ein Elektron-Antineutrino. Ein Antineutrino ist das Antimaterie-Gegenstück eines Neutrinos.

Die Glashow-Resonanz ist eine vorhergesagte Wechselwirkung, bei der ein Elektron-Antineutrino mit einem Elektron zusammenstößt und ein W-Boson erzeugt, ein Teilchen, das an der schwachen Wechselwirkung beteiligt ist. Ihre Beobachtung prüfte eine Vorhersage des Standardmodells, der Theorie, die bekannte Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt.

Dieser Erfolg gibt IceCube zwei miteinander verbundene Aufgaben: Das Experiment kann die kosmischen Umgebungen untersuchen, in denen energiereiche Teilchen entstehen, und mithilfe dieser Teilchen grundlegende physikalische Theorien bei Energien prüfen, die mit menschgemachten Beschleunigern nur schwer zu erreichen sind.

Takaaki Kajita, Professor an der Universität Tokio, der den Nobelpreis für Physik 2015 für die Entdeckung der Neutrinooszillationen erhielt, begrüßte Halzens Auszeichnung. Kajita beschrieb IceCube als einen lange erwarteten Schritt, um zu verstehen, woher kosmische Strahlung stammt und wie die Teilchen beschleunigt werden.

Im Januar wurden mehr als 600 neue Detektoren installiert

Die Auszeichnung folgt auf eine bedeutende Ausweitung des technischen Beitrags Chibas. Die am 13. Februar veröffentlichte Mitteilung der Universität zum Abschluss der Erweiterung besagt, dass die Installation am 21. Januar 2026 beendet wurde.

Ein spezialisiertes Team aus rund 40 Forschenden und Ingenieuren arbeitete etwa zweieinhalb Monate lang, beginnend Ende November 2025. Es bohrte sechs tiefe Löcher und installierte mehr als 600 neue optische Module im Zentrum des bestehenden Detektors.

Etwa 40 Prozent der neuen Module sind D-Egg-Detektoren, die über mehr als ein Jahrzehnt vom International Center for Hadron Astrophysics der Universität Chiba entwickelt und gefertigt wurden. Deutsche und US-amerikanische Gruppen steuerten einen weiteren Detektortyp bei: mDOM.

Jeder D-Egg enthält zwei empfindliche Lichtsensoren, die im Glaskörper in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Durch die Erfassung des Lichts von oben und unten lassen sich Richtung und Intensität messen. Zudem passt das Gehäuse in schmalere Bohrlöcher. Ishihara, die die Fertigung leitete, gehörte zum Installationsteam in der Antarktis.

Der Bauplan war anspruchsvoll. Das Bohren mit heißem Wasser dauerte etwa 60 Stunden, um ein Loch bis in 2.600 Meter Tiefe anzulegen und zu formen. Anschließend mussten die Installateure rund 110 miteinander verbundene Detektoren innerhalb von 30 Stunden absenken, bevor der Zugang wieder zufror.

Die Universität berichtet außerdem, dass fünf in Chiba gefertigte Demonstrationsdetektoren zur Weiterentwicklung von IceCube-Gen2 installiert wurden. Unternehmen aus Japan, Studierende im Aufbaustudium und Nachwuchsforschende beteiligten sich an der Entwicklung und Produktion der Detektoren. Damit reicht Japans Beitrag über die Datenanalyse hinaus.

Ein größeres Ziel für Neutrinos mit geringerer Energie

Bei der Erweiterung sind die Sensoren dichter angeordnet, damit sie schwächeres Licht von Neutrinos mit geringerer Energie erfassen können. Die Anlage ist auf den Gigaelektronenvolt-Bereich (GeV) ausgerichtet und soll zugleich genauere Messungen ermöglichen, wie sich Licht im umgebenden Eis ausbreitet. Ein besseres Verständnis des Eises dürfte die Rekonstruktion der Ankunftsrichtungen von Neutrinos verbessern.

Chiba beziffert das effektive Detektionsvolumen der Erweiterung auf die Entsprechung von etwa zwei Millionen Tonnen Wasser, verglichen mit rund 50.000 Tonnen bei Super-Kamiokande. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von etwa 40 zu eins. Das Volumen allein bestimmt jedoch weder Empfindlichkeit noch Genauigkeit, da die Instrumente unterschiedliche Anordnungen und Beobachtungsmethoden nutzen.

Die dichtere Sensoranordnung erweitert eine vor allem für die Astronomie bei sehr hohen Energien bekannte Anlage auf einen weiteren Energiebereich. Als mögliches Forschungsziel nennt Chiba Neutrinos, die beim gravitativen Kollaps massereicher Sterne und bei der Entstehung Schwarzer Löcher freigesetzt werden. Dabei handelt es sich nicht um eine bereits gemachte Beobachtung.

Der Zeitplan für die Beobachtungen wurde konkreter gefasst. In ihrer Mitteilung vom Februar rechnete die Universität Chiba nach dem Wiederzufrieren mit einem Beobachtungsbeginn etwa im Sommer 2026, sobald Kommunikationsprüfungen, Kalibrierung und die präzise Positionierung der Detektoren abgeschlossen wären.

Die Bekanntgabe der Nobelpreisverleihung von IceCube im Oktober besagt hingegen, dass die ersten wissenschaftlichen Daten der Erweiterung für einen späteren Zeitpunkt im Jahr 2026 erwartet werden. Sie bestätigt nicht, dass die vollständigen wissenschaftlichen Beobachtungen bereits im Sommer begonnen haben.

Das geplante IceCube-Gen2 soll über eine optische Detektoranordnung mit dem achtfachen Volumen des heutigen Observatoriums verfügen und um Radiodetektion für Neutrinos mit noch höherer Energie ergänzt werden. Das Projekt ist weiterhin ein Vorschlag; die Mitteilungen nennen weder einen Baubeginn noch einen Fertigstellungstermin.

Die Etappen auf dem Weg zur Auszeichnung

Die Geschichte von IceCube umfasst mehrere Phasen, die bisweilen zu einem einzigen Entdeckungsdatum zusammengefasst werden: den Entwurf des Instruments, seinen Bau, die Aufzeichnung von Ereignissen, die Vorstellung von Analysen und die Veröffentlichung von Ergebnissen.

• 1988: Halzen stellt erstmals seine Idee vor, Neutrinos am Südpol nachzuweisen.
• 2002: Die IceCube-Kollaboration wird gegründet; Chiba tritt als einzige japanische Institution bei.
• 2004–2011: Der Bau beginnt, und das vollständige Observatorium nimmt den Betrieb auf.
• 2011–2013: Die ersten bedeutenden Ereignisse werden aufgezeichnet, im Juni 2012 vorgestellt und 2013 in Fachzeitschriften beschrieben.
• 2017–2018: Das Ereignis IC170922A führt zur Verbindung mit dem Blazar TXS 0506+056 und zur Veröffentlichung der Ergebnisse.
• 2021: Der erste Nachweis der Glashow-Resonanz wird veröffentlicht.
• 2023: IceCube gibt Beobachtungen von Neutrinos aus der Milchstraße bekannt.
• 21. Januar 2026: Die Installation der IceCube-Erweiterung wird abgeschlossen.
• 6. Oktober 2026: Halzen wird als Nobelpreisträger für Physik bekannt gegeben.

Nach Angaben Yoshidas wuchs die Zusammenarbeit von fünf Ländern bei ihrer Gründung auf heute 14 Länder an. Auf der Projektseite Chibas waren für 2020 rund 300 Forschende an 53 Institutionen in zwölf Ländern verzeichnet; inzwischen sind es etwa 450 Forschende an 58 Institutionen.

Halzen, der wissenschaftliche Leiter von IceCube, stellte diese gemeinsame Arbeit in den Mittelpunkt seiner Reaktion auf die Auszeichnung.

Es ist eine große Erleichterung für mich, endlich die Anerkennung zu würdigen, die diese großartige Zusammenarbeit verdient.

Der nächste konkrete Meilenstein für Chiba ist die erwartete Veröffentlichung der ersten wissenschaftlichen Daten aus der Erweiterung im weiteren Verlauf des Jahres 2026. Die Forschenden bereiten sich außerdem auf das geplante größere Observatorium vor und suchen weiterhin nach den kosmischen Beschleunigern, die die von IceCube nachgewiesenen Teilchen erzeugen.

Die wichtigsten Punkte

• Francis Halzen erhält den Nobelpreis für Physik 2026 für IceCube und die Entdeckung kosmischer Neutrinos.
• Die Universität Chiba ist seit 2002 beteiligt und bleibt die einzige japanische Institution in der Zusammenarbeit.
• Chiba half bei der Identifizierung früher kosmischer Signale, einer Blazar-Quelle und des ersten Glashow-Resonanzereignisses.
• Das ursprüngliche Observatorium nutzt 5.160 optische Module in einem Kubikkilometer antarktischen Eises.
• Etwa 40 Prozent der mehr als 600 neu installierten Detektoren der Erweiterung wurden in Chiba gefertigt.
• Nach dem aktuellen Zeitplan werden die ersten wissenschaftlichen Daten der Erweiterung im weiteren Verlauf des Jahres 2026 erwartet; IceCube-Gen2 ist weiterhin ein Planungsprojekt.