Quelle: Technische Universität München 4. November 2022.

4. November 2022 – Das Universum ist voller Geheimnisse. Eines davon sind aktive Galaxien, in deren Zentrum sich gigantische Schwarze Löcher befinden. „Wir wissen bis heute nicht genau, welche Prozesse sich dort abspielen“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimental Physics with Cosmic Particles an der TUM. Ihr Team ist der Auflösung dieses Rätsels jetzt einen großen Schritt nähergekommen: In der Spiralgalaxie NGC 1068 haben die Astrophysiker*innen eine Quelle hochenergetischer Neutrinos aufgespürt.

Mit Teleskopen, die Licht, Gamma- oder Röntgenstrahlen aus dem All auffangen, ist es sehr schwierig, die aktiven Zentren von Galaxien zu erforschen, weil Wolken aus kosmischem Staub und heißem Plasma die Strahlung absorbieren. Dem Inferno am Rande Schwarzer Löcher entkommen nur Neutrinos, die so gut wie keine Masse und auch keine elektrische Ladung haben. Sie durchdringen den Raum, ohne durch elektromagnetische Felder abgelenkt oder absorbiert zu werden. Deshalb sind sie auch so schwer zu detektieren.

Die größte Hürde bei der Neutrino-Astronomie war bisher die Trennung des sehr schwachen Signals von dem starken Hintergrundrauschen durch Teilcheneinschläge aus der Erdatmosphäre. Erst die langjährigen Messungen des IceCube Neutrino Observatory und neue statistische Methoden ermöglichten Resconi und ihrem Team genügend Neutrino-Ereignisse für ihre Entdeckung.

Detektivarbeit im ewigen Eis
Das IceCube-Teleskop, das sich im Eis der Antarktis befindet, detektiert seit 2011 Leuchtspuren einfallender Neutrinos. „Aus ihrer Energie und ihrem Einfallswinkel können wir rekonstruieren, woher sie kommen“, erklärt TUM-Wissenschaftler Dr. Theo Glauch. „Die statistische Auswertung zeigt eine hochsignifikante Häufung von Neutrino-Einschlägen aus der Richtung, in der sich die aktive Galaxie NGC 1068 befindet. Damit können wir mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die hochenergetische Neutrino-Strahlung aus dieser Galaxie kommt.“

Die Spiralgalaxie, 47 Millionen Lichtjahre entfernt, wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. NGC 1068 – auch bekannt unter dem Namen Messier 77 – ist in Form und Größe unserer Galaxie ähnlich, hat aber ein leuchtend helles Zentrum, das heller strahlt als die gesamte Milchstraße, obwohl es nur in etwa so groß ist wie unser Sonnensystem. In diesem Zentrum befindet sich ein „aktiver Kern“: ein gigantisches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen, das große Mengen von Materie aufsaugt.

Doch wo und wie entstehen dort Neutrinos? „Wir haben ein klares Szenario“, antwortet Resconi. „Wir denken, dass die hochenergetischen Neutrinos das Ergebnis einer extremen Beschleunigung sind, die Materie in der Umgebung des Schwarzen Lochs erfährt und dadurch auf sehr hohe Energien beschleunigt wird. Aus Experimenten in Teilchenbeschleunigern wissen wir, dass hochenergetische Protonen Neutrinos erzeugen, wenn sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Mit anderen Worten: Wir haben einen kosmischen Beschleuniger gefunden.“

Neutrino-Observatorien für eine neue Astronomie
NGC 1068 ist die statistisch signifikanteste Quelle hochenergetischer Neutrinos, die bisher entdeckt wurde. Um auch schwächere und weiter entfernte Neutrino-Quellen lokalisieren und erforschen zu können, seien mehr Daten erforderlich, betont Resconi. Die Forscherin hat unlängst eine internationale Initiative für den Bau eines mehrere Kubikkilometer großen Neutrino-Teleskops im nordöstlichen Pazifik gestartet, das Pacific Ocean Neutrino Experiment, P-ONE. Es soll zusammen mit dem geplanten IceCube-Observatorium der zweiten Generation – IceCube-Gen2 – die Daten für eine künftige Neutrino-Astronomie liefern.

Originalpublikation:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395.

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 4. November 2022.

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, gefunden. NGC 1068 ist eine aktive Galaxie im Sternbild Cetus und einer der bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien überhaupt. Sie wurde erstmals 1780 entdeckt, ist 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und kann mit einem großen Fernglas beobachtet werden. Die Ergebnisse, die heute in Science veröffentlicht werden, wurden in einem wissenschaftlichen Online-Webinar vorgestellt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Medien aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Entdeckung wurde am von der National Science Foundation unterstützten IceCube-Neutrino-Observatorium gemacht, einem gewaltigen Neutrinoteleskop, das eine Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst. Dieses einzigartige Teleskop, das mit Hilfe von Neutrinos die entlegensten Bereiche unseres Universums erforscht, meldete die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle im Jahr 2018. Bei der Quelle, TXS 0506+056, handelt es sich um einen bekannten Blazar, der sich in der linken Schulter des Sternbilds Orion in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Damals war noch eine Bestätigung durch optische Teleskope notwendig, um die Quelle sicher zu identifizieren. Diesmal wurden jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren genug Neutrinos von IceCube alleine entdeckt.

„Ein einziges Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos kann den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte aufdecken“, erläutert dazu Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von IceCube. Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt aus NGC 1068 gesammelt, die noch nicht ausreichen, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt zur Verwirklichung der Neutrinoastronomie.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sebastian Böser und früher Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören bereits seit 1999 dem IceCube-Konsortium an, das auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Herkunft von Neutrinos bis in die Tiefen des Weltalls zurückverfolgen zu können – genau hierfür wurde IceCube ursprünglich geplant. Nach dieser langen Zeit ist es ein tolles Gefühl, unsere Ziele verwirklicht zu sehen. Wir sind sehr stolz, dass wir nach einer ganzen Reihe bemerkenswerter Resultate nun auch dieses herausragende Ergebnis als Kollaboration erreicht haben“, freut sich Prof. Dr. Sebastian Böser.

Neutrinos bewegen sich ungehindert im Weltall
Anders als Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entweichen. Sie erreichen die Erde weitgehend ungestört von Materie und elektromagnetischen Feldern, die den extragalaktischen Raum durchdringen und behalten dabei ihre ursprüngliche Flugrichtung immer bei. Obwohl Wissenschaftler die Neutrinoastronomie bereits vor mehr als 60 Jahren ins Auge gefasst haben, ist der Nachweis der geisterhaften Teilchen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie und Strahlung äußerst schwierig. Wenn er gelingt, könnten Neutrinos jedoch der Schlüssel sein, um Einblicke in die extremsten Objekte im Kosmos zu erhalten.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist auch NGC 1068 eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einem relativ kleinen zentralen Wulst. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 eine aktive Galaxie, bei der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das Millionen Mal massiver ist als unsere Sonne und sogar noch massiver als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. NGC 1068 ist eine Galaxie vom Typ Seyfert II die aus einem solchen Winkel betrachtet wird, dass der zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, verdeckt ist. In einer Seyfert-II-Galaxie verdeckt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Teilchenmasse erzeugt wird, die sich langsam spiralförmig zum Zentrum der Galaxie bewegt.

In vielen Modellen würde man erwarten, dass die Neutrinos von hoch-energetischen Gamma-Strahlen begleitet werden. Dies wurde – in Übereinstimmung mit aktuellen Modellen – aber nicht beobachtet. „Neuere Modelle der Umgebung von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, ein Postdoktorand an der Michigan State University und Mitglied von IceCube. „Dieser Neutrinonachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern verbessern.“

Im Gegensatz zur Quelle TXS 0506+056, die nur für eine kurze Zeit aktiv war, sendet NGC 1068 einen kontinuierlichen Fluss von Neutrinos. „Ich denke, NGC 1068 könnte eine Referenzgalaxie für zukünftige Neutrinoteleskope werden“, sagt daher Theo Glauch, ein Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied von IceCube. „Sie ist ein astronomisch bereits sehr gut untersuchtes Objekt. Die Neutrinos werden es uns ermöglichen, diese Galaxie auf eine völlig andere Weise zu sehen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Dieses Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie über NGC 1068, die 2020 veröffentlicht wurde“, sagt Ignacio Taboada, ein Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Kollaboration. „Teils ist die Verbesserung auf optimierte Mess-Techniken , teils auf eine sorgfältige Aktualisierung der Detektorkalibrierung zurückzuführen. Die Arbeit der Teams für den Betrieb und die Kalibrierung des Detektors ermöglichte es die Neutrinorichtung besser zu rekonstruieren und so NGC 1068 genau lokalisieren zu können. Die Identifizierung dieser Quelle ist somit letztlich ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube-Kollaboration.“

„Das ist eine großartige Nachricht für die Zukunft unseres Fachgebiets. Es bedeutet, dass es mit einer neuen Generation von empfindlicheren Detektoren noch viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger aufspüren, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob IceCube uns eine Karte zu einer Schatzkammer übergeben hat“, sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY).

Mit den Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Antwort auf die jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Noch interessanter ist, dass diese Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass es noch viele weitere ähnliche Objekte gibt, die noch nicht identifiziert wurden. „Die Enthüllung des undurchsichtigen Universums hat gerade erst begonnen, und die Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckungen in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Physik an der TUM.

Originalartikel:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068,”
The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395

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• Antarktis-Neutrinoteleskop IceCube

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Quelle: DESY.

Im grönländischen Eis lauscht künftig eine weltweit einzigartige Anlage nach extrem schwer fassbaren Teilchen aus dem Weltall: Das Pionier-Projekt „Radio Neutrino Observatory Greenland“ (RNO-G) verwendet eine neue Messmethode, um sehr energiereiche kosmische Neutrinos mit Radioantennen nachzuweisen. An der Forschungsstation Summit Station haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Projekts jetzt die ersten Antennenstationen im Eis installiert.

„Neutrinos sind ultraleichte und extrem scheue Elementarteilchen“, erläutert DESY-Physikerin Anna Nelles, die das Projekt mit initiiert hat. „Die Teilchen entstehen in rauen Mengen im All, vor allem bei energiereichen Prozessen wie kosmischen Teilchenbeschleunigern. Sie sind aber kaum nachweisbar, weil sie so gut wie nie mit Materie reagieren. Allein von der Sonne durchqueren pro Sekunde rund 60 Milliarden Neutrinos unbemerkt jeden fingernagelgroßen Fleck auf der Erde.“

Die ultraleichten Elementarteilchen werden manchmal auch als Geisterteilchen bezeichnet, denn sie fliegen problemlos durch Wände, die Erde und ganze Sterne. „Diese Eigenschaft macht sie interessant für die Astrophysik, weil sich mit ihnen beispielsweise auch ins Innere explodierender Sonnen oder in verschmelzende Neutronensterne blicken lässt, woher kein Licht zu uns gelangen kann“, berichtet Nelles, die auch Professorin an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg ist. „Zudem lassen sich mit Neutrinos natürliche kosmische Teilchenbeschleuniger aufspüren.“

Nur extrem selten wechselwirkt ein Neutrino jedoch mit der durchquerten Materie, wenn es – zum Beispiel im grönländischen Eisschild – zufällig auf ein Atom stößt. Bei einer solchen seltenen Kollision entsteht eine Lawine von Folgeteilchen, von denen viele im Gegensatz zum Neutrino elektrisch geladen sind. Diese geladenen Folgeteilchen erzeugen Radiowellen, die von den Antennen aufgefangen werden können.

„Der Vorteil von Radiowellen ist, dass Eis für sie ziemlich durchsichtig ist“, erläutert DESY-Physiker Christoph Welling, der zurzeit Teil des Projektteams auf Grönland ist. „Das heißt, wir können Radiosignale über Distanzen von einigen Kilometern detektieren.“ Je höher die Reichweite, desto größer das Volumen im Eis, das sich überwachen lässt, und desto größer die Chance, eine der seltenen Neutrinokollisionen aufzuspüren. „RNO-G wird der erste Radio-Neutrinodetektor im großen Maßstab sein“, sagt Welling. Zuvor hatten kleinere Versuche bereits gezeigt, dass der Nachweis kosmischer Teilchen über Radiowellen grundsätzlich möglich ist.

Insgesamt 35 Antennenstationen sollen mit einem Abstand von je 1,25 Kilometern rund um die Summit Station auf dem mächtigen grönländischen Eisschild installiert werden. Trotzdem kann es Monate oder sogar Jahre dauern, bis der Detektor anschlägt. „In der Neutrinoforschung braucht man Geduld“, erläutert Nelles. „Hochenergetische Neutrinos lassen sich ungemein selten auffangen. Aber wenn man eines erwischt, dann ist der Informationsgehalt unglaublich.“ Die Forscherinnen und Forscher denken dabei auch schon an den nächsten Schritt, denn der nächste Radio-Neutrinodetektor soll später buchstäblich am anderen Ende der Welt aufgebaut werden und das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ergänzen.

Dort hat ein internationales Konsortium, zu dem auch DESY gehört, rund 5000 empfindliche optische Messgeräte kilometertief ins ewige Eis eingeschmolzen. Diese Photomultiplier spähen nach einem schwachen bläulichen Flackern, das ebenfalls von den energiereichen Folgeteilchen einer seltenen Neutrinokollision erzeugt wird, wenn diese durchs unterirdische Eis rasen. Auf diese Weise sind IceCube bereits spektakuläre Beobachtungen von Neutrinos gelungen, die beispielsweise aus dem Umfeld eines gigantischen Schwarzen Lochs oder von einem zerrissenen Stern stammten. Die Leuchtsignale der unterirdischen Folgeteilchen lassen sich im Eis nicht so weit verfolgen wie die Radiowellen. Dafür schlagen die Photomultiplier bereits bei niedrigeren Energien der kosmischen Neutrinos an.

„Je höher die Energie, desto seltener werden die Neutrinos. Das heißt, man braucht größere Detektoren“, erläutert DESY-Forscherin Ilse Plaisier aus dem Installationsteam auf Grönland. „Die beiden Systeme ergänzen sich ideal: Das optische IceCube-Detektorgitter misst etwa bis zu einer Neutrinoenergie von einer Billiarde Elektronenvolt, das Radio-Antennenfeld wird ab rund zehn Billiarden bis zu hundert Trillionen Elektronenvolt empfindlich sein.“ Das Elektronenvolt ist eine in der Teilchenphysik weit verbreitete Einheit der Energie. Hundert Trillionen Elektronenvolt entsprechen etwa der Energie eines kräftig geschlagenen Squashballs mit 130 Kilometern pro Stunde – aber im Fall eines Neutrinos konzentriert in einem einzelnen subatomaren Teilchen, das Trillionen Trillionen Mal leichter ist als ein Squashball.

Die Installationsarbeiten für das Pionier-Projekt laufen in der ersten Phase noch bis Mitte August und waren in Pandemie-Zeiten eine besondere logistische Herausforderung: Die Teams mussten vor der Anreise zur Summit Station an verschiedenen Orten mehrere Wochen in Quarantäne verbringen, um ein Einschleppen des Coronavirus zu vermeiden. RNO-G wird mindestens fünf Jahre auf dem grönländischen Eis stehen bleiben. Die Stationen funktionieren autonom mit Solarzellen und sind per Mobilfunk untereinander vernetzt. Auf Grundlage dieses Betriebs soll dann der Neutrinodetektor IceCube am Südpol im Rahmen des Ausbaus zu Generation 2 (IceCube-Gen2) mit Radioantennen erweitert werden.

„Der Nachweis von Radiosignalen von hochenergetischen Neutrinos ist ein sehr vielversprechender Weg, den zugänglichen Energiebereich deutlich zu vergrößern und damit das neue Fenster zum Kosmos noch weiter zu öffnen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann. „Wir gehen diesen Weg über erste Testaufbauten auf Grönland, um dann auch Radioantennen am Südpol als Teil von IceCube-Gen2 zu installieren.“

An dem Pionier-Projekt sind mehr als ein Dutzend Partner beteiligt, darunter die University of Chicago, die Vrije Universiteit Brussel, die Penn State University, die University of Wisconsin-Madison und DESY.

Weitere Informationen
RNO-G-Homepage: https://radio.uchicago.edu
IceCube-Gen2: https://www.icecube-gen2.de

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• Neutrinos

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Quelle: FAU.

3500 Meter – so tief liegt das Neutrinoteleskop KM3Net/ARCA, das seit 2015 am Grunde des Mittelmeeres vor der Küste Siziliens aufgebaut wird. Forschende vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der FAU bauen unter anderem wichtige Messmodule für dieses internationale Projekt. Während einer einwöchigen Seekampagne Anfang April 2021 wurden fünf neue Detektionseinheiten des Neutrino-Teleskops angeschlossen und sind nun betriebsbereit.

Das KM3NeT/ARCA-Teleskop, das zukünftig das Volumen eines Würfels mit einem Kilometer Seitenlänge umfassen wird, befindet sich etwa 80 Kilometer vor Capo Passero, Sizilien. Zusammen mit seinem Schwesterteleskop ORCA, das vor der Küste von Toulon in Frankreich liegt, wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die astrophysikalischen Quellen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos identifizieren und die fundamentalen Eigenschaften der schwer fassbaren und allgegenwärtigen Elementarteilchen untersuchen. Die beiden Teleskope werden ebenso noch nie dagewesene Möglichkeiten für erd- und meereswissenschaftliche Studien bieten.

Hochempfindliche Sensoren
Nach seiner Fertigstellung wird KM3NeT/ARCA mit mehr als zweihundert Detektionseinheiten ausgerüstet sein. Jede dieser 700 Meter hohen Einheiten besteht aus 18 Modulen, die mit hochempfindlichen Lichtsensoren ausgestattet sind, die die schwachen Lichtblitze registrieren, die durch Neutrino-Wechselwirkungen im pechschwarzen Abgrund des Mittelmeers entstehen. Bisher war eine Detektionseinheit im Einsatz. Mittels ferngesteuertem Tauchfahrzeug setzten die am Projekt teilnehmenden Teams nun fünf neue KM3NeT-Detektionseinheiten ein.

Diese sechs Detektionseinheiten bilden den anfänglichen Kern des KM3NeT/ARCA Neutrinoteleskops. 18 der optischen Module in einer der neu installierten Detektoreinheiten wurden an der FAU gebaut. „Wir haben jetzt gezeigt, dass wir die Detektorkomponenten mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit herstellen und in der Tiefsee installieren können. Das ist ein großartiger Erfolg, der die Tür zum vollständigen Aufbau von KM3NeT weit öffnet“, sagt Prof. Dr. Ulrich Katz, Lehrstuhl für Experimentalphysik (Astroteilchenphysik) der FAU und Mitinitiator des KM3NeT/ARCA-Projekts. Neben dem Bau dieser optischen Module, von denen auch für die nächste Kampagne Module an der FAU gebaut werden, testen die Erlanger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler außerdem die Lichtdetektoren, koordinieren die Softwareentwicklung und bringen Machine Learning-Methoden für die Datenauswertung zur Anwendung.

Während der Kampagne ist zudem eine neue Junction Box, ein Knotenpunkt für die Stromverteilung und Datenübertragung der Detektionseinheiten, eingebaut worden. Diese Box ist über ein elektrooptisches Kabel mit einem Labor des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien verbunden. Als letzter Schritt wurde die erste Detektionseinheit, die seit 2015 im Einsatz ist, an den neuen Verteilerkasten angeschlossen.

KM3NeT ist ein internationales Projekt von über 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus mehr als fünfzig wissenschaftlichen Instituten auf der ganzen Welt. KM3NeT wurde in die Liste der vom Europäischen Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) ausgewählten Projekte mit hoher Priorität aufgenommen.

Link:
Webseite von KM3NeT

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• Unterwasser-Neutrino-Detektor KM3NeT

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