Eisfischen Neutrinos

Ignorante Glückspilze ganz unten auf der Erde

Eines Tages im Februar 2000 saßen Bruce Kochi und ich nach langen Bohrungen auf dem Sand im Krater eines Vulkans auf dem Kilimandscharo in 5600 m Höhe. Wir saßen mit dem Rücken gegen unsere Rucksäcke und beobachteten den Sonnenuntergang, während Kochi sich an seine Karriere erinnerte.

„Ich mache das nicht, um ein Bohrer zu sein. Ich hasse Autos. Ich bin vielleicht einer der wenigen Ingenieure auf der Welt, die sie so behandeln. Ich hasse sie. Die seltenen Fälle von Wut, die mir passiert sind, waren auf Maschinen zurückzuführen, die nicht das tun, was sie tun sollten. “

„Ich mache das aus Erfahrung. Ich fuhr Kajak, verließ dann ein gutes Luft- und Raumfahrtunternehmen, entschied mich für Ökologie und kehrte dann durch Glaziologie zum Ingenieurwesen zurück, beginnend in Minnesota. Ich gehe immer irgendwohin, nur wegen des Ortes selbst, aber nicht wegen der Bohrungen. Ich werde mein Bestes tun, damit die Bohrungen gut verlaufen, denn das bedeutet, dass ich an einen anderen guten Ort gehen kann. "


IceCube Laboratory in der Amundsen-Scott Antarctic Station. Dies ist ein Partikeldetektor, der nach Neutrinos sucht, die von den hellsten astrophysikalischen Quellen ausgehen - explodierende Sterne, Gammastrahlenausbrüche, Kataklysmen mit Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Vor ihm stand ein AMANDA- Detektor.

Er hat keinen wissenschaftlichen Abschluss in Glaziologie gemacht, und wie er sich erinnert, „ging ihm sehr schnell die Zeit davon, als sie mich plötzlich anriefen und sagten, dass die Universität von Nebraska-Lincoln eine Person mit einem Ingenieurabschluss suchte, der sich mit Glaziologie auskennt. Also rief ich sie an, wurde Mitte Oktober telefonisch eingestellt und zwei Wochen später saß ich in einem Flugzeug, das zum Ross-Schelfeis flog.

Das Ross-Schelfeis schwimmt auf der Meeresoberfläche in der Nähe der McMurdo-Antarktisstation und bietet eine stabile Plattform für den Flugplatz der Station, Williams Field. Es ist die größte schwimmende Eismasse der Welt, vergleichbar groß wie Frankreich. Zum ersten Mal war Bruce im antarktischen Sommer 1977-1978 dort.

Die Universität von Nebraska-Lincoln erhielt von der National Science Foundation den Auftrag, einen Brunnen durch 60 m Eisschelf zu bohren, damit eine Gruppe von Wissenschaftlern den darunter verborgenen Ozean untersuchen konnte. Als Bohrmaschine diente der im Bergbau zum Schneiden von kristallinem Stein verwendete Flammenstrahl . Es bestand aus zwei Kompressoren mit einem Gewicht von jeweils 4,5 Tonnen, die einem modifizierten Strahltriebwerk - einem riesigen Bunsenbrenner - Luft unter einem Druck von 70 Atmosphären zuführten und mit schlammigem Wasser, spuckenden Flammen und unverbranntem Dieselkraftstoff in einen Brunnen abgesenkt wurden.

"Nun", sagte Bruce, "sie grollt schrecklich." Viel Lärm, viel Rauch, viel Schmutz. Aber sie bohrte ziemlich schnell das Schelfeis. Es stellte sich heraus, dass ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 45 cm vorhanden war, so dass die Wissenschaftler ihre Gizmos dort senken und ihre Experimente durchführen konnten. "

Während des nächsten Jahrzehnts half er dem Glaziologen Charlie Bentley von der University of Wisconsin Madison, viele kleine Löcher mit einem Heißwasserbohrer - im Allgemeinen einem riesigen Gartenschlauch - in verschiedenen Teilen der Antarktis zu bohren, damit Bentley Dynamit in die Löcher werfen und seismische Experimente durchführen konnte. Er blickte in die komplexe Kunst des Eiskernbohrens ein, bei der ein hohles Bohrrohr mit glatten Innenwänden, Schnitzereien an der Außenseite und scharfen Zähnen darunter regelmäßig in Eis eintaucht, um Segmente zu schneiden und jeweils einen Meter hochzuziehen. Er bohrte Eisbohrkerne in Grönland und an vielen Orten in der Antarktis, einschließlich der Stange - und fand auch Zeit für die Erfindung des Höhenbohrens von Eisbohrkernen.

Im Frühjahr 1990 wurde Bruce einer der besten Spezialisten. Er nahm an drei Dutzend Bohrexpeditionen teil und war der beste praktische Spezialist für das Bohren von Eis in all seinen Formen auf dem Planeten. Als John Kelly, Direktor des US-amerikanischen Ministeriums für polaren Eiskern, zu Bruce kam und fragte, ob es interessant sei, einer Gruppe von Physikern zu helfen, einige Brunnen in Grönland zu bohren, um die Möglichkeiten für den Bau eines Neutrino-Teleskops am Südpol zu erkunden, nutzte er diese Chance. "Natürlich!" - Er erinnert sich an seine Worte. „Dies ist das interessanteste Projekt, von dem ich je gehört habe! Wenn nötig, werde ich nicht schlafen und nachts arbeiten. "

Im August 1990 reisten Bob Morse, ein Physiker der University of Wisconsin, und Tom Miller, Absolvent der University of California in Berkeley, nach Grönland, um das erste Eisfischen auf Myonen zu verbringen. Ihr Fanggerät bestand aus drei von Morse erhaltenen photoelektronischen Multiplikatoren .


Ein Sensor senkte sich in einen Brunnen im Eis

Bruce bereitete den Brunnen vor, den er letzten Sommer gebohrt hatte. Da die Brunnen im Eis aufgrund des Eisdrucks zusammenbrechen, bohrte er sie bis zu einer Tiefe von 217 Metern. Dort senkten die Physiker ihre Angelschnur und führten den ersten Teil der Messungen durch. Dann beschlossen sie, die optische Verbindung zwischen den Fotovervielfachern und dem Eis zu verbessern, und fragten, ob die Bohrer Flüssigkeit hätten, die in das Bohrloch gegossen werden könne. Nicht gefrorene Flüssigkeiten sind in Greenland Heights Mangelware, aber sie verfügen über riesige Reserven an Butylacetat, die verwendet werden, um das Zusammenfallen des Bohrlochs zu verhindern. Sie gossen es hinein, so dass es ausreichte, um die Angelschnur abzudecken, und führten wiederholte Messungen durch.

"Ich weiß nicht, warum es uns so vorkam, als müssten wir die Angelschnur herausziehen", sagt Bob, "aber wir haben sie herausgezogen und plötzlich sahen wir diesen dicken blauen Schleim, der alles bedeckte. Butylacetat löste die Hülle der Drähte auf und malte den ganzen Schnee und die Flüssigkeit in der Nähe in einer wunderschönen purpurblauen Farbe. Wir fragten uns, ob wir überhaupt etwas Licht durchlassen würden. Wir haben die Fotovervielfacher vor dem Absenken und dann nach dem Absenken fotografiert. Auf dem zweiten Foto sieht es aus wie ein großes Traubenfruchteis. Die blaue Flüssigkeit war in meinen Handschuhen, in Kleidern, auf meinem Gesicht. Es war ein Farbstoff, der für das Kabel verwendet wurde. Strom funktionierte, aber optisch waren wir uns nicht sicher, was wir getan hatten. “

AMANDA (Antarktisches Myon- und Neutrino-Detektor-Array) junges Team [Antarktisches Array von Myon- und Neutrino-Detektoren], darunter Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen und Bob Morse [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen und Bob Morse schickten einen Brief an das im September dieses Jahres veröffentlichte Nature-Magazin. Francis glaubt, dass dieser „Brief ein Experiment gestartet hat“, das zeigt, dass die Idee, Polareis als Neutrino-Detektor zu verwenden, „immer noch verrückt, aber nicht zu viel“ war.

In dem Brief heißt es: "Die Vertiefung wurde mit Butylacetat gefüllt, einer organischen Flüssigkeit, die aufgrund der niedrigen Gefriertemperatur und der optischen Klarheit ausgewählt wurde." Keine Erwähnung von blauem Schleim. "Wir fanden die Ergebnisse inspirierend und planen, im kommenden südlichen Sommer tiefere Experimente am Südpol durchzuführen."

Mit solchen Hindernissen und Mängeln führen sie wissenschaftliche Experimente durch. Wie Bob Morse schrieb:

Grönland ist ein großartiges Beispiel für ein Experiment, das in Eile durchgeführt wurde, um die Gelegenheit nicht zu verpassen. Es wurden Fehler gemacht und unvollständige Daten erhalten, die immer noch nützlich waren, wie Fehler mit dem richtigen Ansatz nützlich sein können. Dies ist ein kleines Experiment, das dem AMANDA-Projekt vorausging und alle Funktionen später erstellter AMANDA- und IceCube-Projekte enthielt. Die späteren Erfolge wurden nur durch das Debuggen der Systeme zum Platzieren und Empfangen von Daten erzielt - diese Aufgabe war jedoch nicht trivial. Ein seltenes Beispiel dafür, wie die Organisationen, die das Experiment finanziert haben, den Daten mehr vertrauen (wenn auch nicht perfekt) als viele Experimentatoren.

Francis fügt hinzu: "Es ist klar, dass wir keine Ahnung hatten, was wir taten. Das war also eine echte Studie, oder?"

Er vermutete, dass „viele Menschen eine ähnliche Idee hatten, aber sie kannten die Glaziologie besser als ich und entschieden offensichtlich, dass es nicht funktionieren würde. Wenn wir wirklich verstanden hätten, was wir taten, hätten wir es wahrscheinlich überhaupt nicht getan. Und wie sich herausstellte, haben sich viele Dinge, die wir hätten wissen müssen, als falsch herausgestellt. “


5 MW Heizungsanlage am IceCube Rig. Heißes Wasser fließt durch die Schläuche vom Heizsystem bis zu dem Ort, an dem das Eis gerade gebohrt wird. Der zum Bohren verwendete Schlauch ist fast 3 km lang und in der Mitte um eine große Spule gewickelt.

In den Vorträgen, die er heute jungen Wissenschaftlern hält, verwendet er manchmal die Anfänge des AMANDA-Projekts als Beispiel für einen Aphorismus: „Lesen Sie keine Bücher, machen Sie Geschäfte. Es ist am besten, ein ignoranter Glückspilz zu sein. " Ursprüngliche Entdeckungen werden normalerweise von jungen Menschen gemacht, die mit allgemein anerkanntem Wissen nicht vertraut sind. Er glaubt, dass er in seinem Alter weit über 40 etwas Originelles tun konnte, nur weil er sich im Sinne der Naivität „wieder jung“ fühlte. "Nur wenn Sie noch unwissend sind und nicht alle Bücher gelesen haben, können Sie etwas Originelles und Neues tun."

Er betrat die Welt der Experimente, nicht kontrolliert durch die klare Logik der Theorie. In Experimenten muss man nicht nur viele praktische und strategische Punkte berücksichtigen - manchmal ist es am besten, für einen Moment aufzuhören zu denken und einfach etwas zu tun.

Wenn er ein maßgebliches Lehrbuch über die Optik von Eis und Wasser lesen würde, würde er "wissen", dass die Absorptionsdauer von blauem Licht in reinem Eis - die Entfernung, in der etwa zwei Drittel des Lichts absorbiert werden - etwa 8 Meter beträgt. Und dann wäre alles vorbei. Sie würden die Fotovervielfacher zurückgeben und nach Hause gehen. Wenn Cherenkovs Strahlung tatsächlich in so kurzer Entfernung absorbiert würde, wären etwa 2 Millionen Fotovervielfacher erforderlich, um einen Kubikkilometer Eis zu füllen, und es wären nur etwa 6 Milliarden US-Dollar erforderlich. Glücklicherweise war das Buch sehr falsch. Sie erhielten aus den grönländischen Daten einen ungefähren Wert von 18 Metern, und obwohl diese Zahl ebenfalls falsch war, war sie ein Schritt in die richtige Richtung.

Einige Jahre später, als sie immer noch versuchten, das Eis zu verstehen, aber bereits Anzeichen dafür erhalten hatten, dass die Absorptionslänge sogar mehr als 18 Meter betrug, lieferte die Bibliothek von Madison fälschlicherweise Bücher, die für jemand anderen bestimmt waren, an das Francis-Büro. Natürlich fing er an, durch sie zu schauen, und als er die Informationen über die Absorptionslänge von acht Metern erreichte, spürte er, wie sich ein Schauer durch seinen Rücken zog.

Im südlichen Frühjahr 1991 reisten Bob Morse, Bruce Kochi, Steve Barwick und Tim Miller nach Süden, um die ersten Bohrungen für AMANDA durchzuführen. Das PICO-Experiment, das nach direkten Beweisen für die Existenz dunkler Materie suchte, schickte auch ein Bohrteam auf die Mission, zu dem auch Bill Barber gehörte, ein großer, gutmütiger, ungestörter und unglaublich starker Brite.

Sie wollten einen Schlauch mit einer Düse am Ende verwenden, um heißes Wasser in einem parallelen Strom zu sprühen. Danach sollte die Düse einfach unter dem Einfluss der Schwerkraft in das schmelzende Eis eingetaucht werden. Wenn Sie mit heißem Wasser bohren, benötigen Sie viel sehr heißes Wasser, das unter hohem Druck steht, und einen Schlauch mit großem Durchmesser und guter Wärmedämmung der Wände, damit das Wasser auf dem Weg nach unten heiß bleibt und so viel Wärme wie möglich durch die Düse auf das Eis überträgt. Es ist wahr, es ist notwendig, ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten und etwas Wärme durch die Seitenwände entweichen zu lassen, damit das Wasser im oberen Teil des Brunnens nicht gefriert. Eines Tages wies Bruce darauf hin, dass es keine zu großen Neutrino-Teleskope gibt und "es keine zu großen Heißwasserbohrer gibt, weil der beste Bohrer einer ist, der sofort einen Brunnen bohrt." Dies ist natürlich ein imaginärer Bohrer, der fast sofort eine unbegrenzte Wärmemenge liefert, aber er vermittelt die Essenz: Sie benötigen viel Wärme und einen riesigen Schlauch.

Bruce wusste, dass ihre Installation namens Bucky-1 in beiden Punkten schwerwiegende Einschränkungen aufwies. Der Schlauchdurchmesser betrug nur 2,5 cm, und die Heizstation, in der mehrere Kessel auf der Straße direkt auf dem Eis standen, erzeugte nur 0,5 MW Energie. Die erste Heißwasserbohrmaschine, die er im Ross-Regal verwendete, verwendete eine 2-MW-Station. "Wir wussten, dass Bucky-1 Einschränkungen hat, aber welche wir nicht genau kannten, da dies das erste Mal war, dass jemand versucht hat, so kaltes und tiefes Eis zu bohren." Er berechnete, dass bei einem Durchgang von 1000 m die Wärme, die aufgrund von Verlusten entlang der Schlauchlänge austritt, die von der Station erzeugte Leistung übersteigt. Mit anderen Worten kann der untere Teil des Schlauchs einfrieren. Er könnte verschiedene Spiele spielen und versuchen, ihn am Einfrieren zu hindern, zum Beispiel ihn ständig anzuheben und abzusenken, um Wasser in dem gerade hergestellten Loch zu erhitzen, aber dies würde zusätzlichen Kraftstoff erfordern, und tatsächlich wäre es ziemlich schwierig, dies zu tun.

"Das Bohren von heißem Wasser ist nichts für Weicheier", sagt er. "Wir versuchen, eine Temperatur von mindestens 50 Grad aufrechtzuerhalten, und das ist nicht immer angenehm."

Das AMANDA-Projektteam zog alle mit seinen Badewannen an, in denen Wasser zum Bohren erhitzt wurde. Bis die Wissenschaftsstiftung dieses Geschäft einstellte, veranstalteten sie Partys in Whirlpools am Bohrstandort. Und es ist gut, dass sie Spaß hatten, denn die Bohrungen selbst gingen so lala.

Am zweiten Brunnen waren sie gierig und versuchten, unter 1000 m zu fallen. Dies führte zu dem schlechtesten Ergebnis, das bei Heißbohrungen zu erwarten ist.

"Bucky-1 steckte bei uns fest", erinnerte sich Bob später. "Er ist immer noch da."

"Ja, wie ein Radar-Tag", sagte Bruce.

Bob schlief in Jamesweiss 'Arktiszelt, als ein PICO-Bohrer, Dave Kestor, seinen Kopf in den Vorhang steckte und flüsterte, dass er schlechte Nachrichten hatte. Da eine der drei Schichten im Lager ständig versucht einzuschlafen, herrscht im „Sommerlager“ ständig Stille.

"Was sollen wir tun? - fragte Dave. "Um unsere Werkzeuge dort abzusenken oder nicht?"

"Mein Gott, ich weiß nicht", antwortete Bob. - Ich denke es wird. Wir haben schon so viel in dieses Loch investiert. Wir müssen alles tun, was wir können. “

Er stand auf und machte sich auf die Suche nach Steve Barvik. "Ich sage:" Steve, sie haben dort einen Bohrer festgefahren. " Steve wurde wütend und fing an zu schreien - er wusste nicht, wo Tem Miller war, also ging er um drei Uhr morgens in jedes Zelt und rief mit aller Kraft: "Tim Miller? Tim Miller, wo zum Teufel bist du? Wo hängst du rum? “Und ich dachte, dass jetzt ein kräftiger Zwei-Meter-Arbeiter einfach aufstehen und Steve schlagen würde. Ich dachte er hätte eine Mütze. "

PICO bohrte nur zwei Schichten, von denen jede 12 Stunden arbeitete, und die Übung blieb in der Nachtschicht hängen. Bruce war tagsüber und obwohl er während der Bohrungen immer noch nicht viel geschlafen hatte - er ging nebenher, blieb auf dem Laufenden, nicht einmal in seiner Schicht -, schlief er, als die Probleme auftraten. Und sie blieben nicht nur in der Bohrmaschine stecken, sondern stoppten auch den Wasserfluss im Schlauch. Dies ist wahrscheinlich die einzige Situation beim Bohren von heißem Wasser, aus der es keinen Ausweg gibt.

"Jeder, der jemals mindestens einmal in seinem Leben heißes Wasser gebohrt hat, hat einen Fehler gemacht und es fehlte ihm an Wärme", sagte Bruce später. Er entschied, dass sie das Glück hatten, eine solche Tiefe zu erreichen.

Sie versuchten es mit einem Caterpillar D7 Bulldozer herauszuziehen.

Bob sagte: „Dieser verdammte Schlauch zog wie eine Geigenschnur. Er schrumpfte auf die Hälfte seines Durchmessers. Nur Bill Barber hatte den Mut, dorthin zu gehen und zu stehen, als der Schlauch aus diesem Loch ragte, und dann die Säge zu nehmen und sie zu schneiden. Und wir haben gesehen, wie dieser Schlauch mit Schallgeschwindigkeit im Loch verschwindet, und wir haben so ein „fyuyuyuyuyu“ gehört.

Und in einer solchen Situation, als das Ende der Übung und ein ziemlich großer Teil des Schlauchs im Brunnen verschwanden, folgten sie dem Rat des verschlafenen Bob und senkten die Angelschnur mit der Ausrüstung dort. Aus irgendeinem Grund - der Schlauch steckte fest oder der Brunnen stellte sich als zu schmal heraus - ging er nur 150 m weit. Dann machten sie sich Sorgen, dass das Licht von der Oberfläche zu den Detektoren gelangen und alle Myonensignale blockieren könnte, die sie empfangen könnten. Photovervielfacher waren äußerst empfindlich; Sie arbeiteten auf der Ebene einzelner Photonen, dh sie konnten einzelne Lichtteilchen erfassen.

"Ich sah mich um und sagte:" Wir müssen ein Loch stopfen. Warum sie zum Schweigen bringen? “, Erinnert sich Bob. - Wir hatten Asbest und grüne Müllsäcke. Umweltschützer hätten Ziegel gelegt, wenn sie davon erfahren hätten: Ich fing an, Asbestisolierung in die Beutel zu legen, damit sie an Volumen zunahmen, und warf sie in das Loch, um aus dem Licht einen Stecker zu machen. Ich glaube, ich habe drei oder vier dorthin geworfen - so viel wie ich. "

Experimentelle Physik mit all den Mängeln und Problemen.

Mark Bowen ist Schriftsteller und Physiker. Er hat für die Magazine Climbing, Natural History, Science, Technology Review und AMC Outdoors geschrieben und ist seit 1998 an AMANDA- und IceCube-Projekten beteiligt. Auszug aus dem Teleskop im Eis, 2017.