Francis Halzen erhält den Nobelpreis für Physik 2026 für seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen. Prof. Dr. Halzen forscht an der University of Wisconsin–Madison und ist Principal Investigator des IceCube-Projekts. Seine jahrzehntelange Arbeit hat einen neuen Zugang zur Beobachtung des Universums eröffnet. Bei der heutigen Preisverleihung sagte Francis Halzen, das Schönste an der Verleihung des Nobelpreises für Physik 2026 sei es, den Menschen Anerkennung zu zollen, die an seiner Seite gearbeitet haben.
Ich hoffe, dass diese Auszeichnung auch die wirklich mutigen Menschen würdigt, die sich mir zu Beginn dieses Projekts angeschlossen haben. Damals hätte sich kein etablierter, konservativ denkender Physiker darauf eingelassen. Aber viele talentierte Menschen haben es getan, und ihnen verdanke ich, dass ich heute hier bin.
Das Lamarr-Institut gratuliert ihm zur Würdigung dieser wissenschaftlichen Pionierleistung. Forschende aus dem Lamarr-Umfeld an der TU Dortmund gehören zur internationalen IceCube-Kollaboration und tragen mit maschinellem Lernen zu deren gemeinsamem Forschungsprogramm bei.
Halzen machte antarktisches Eis zum astronomischen Instrument
Eine zentrale Frage hinter Halzens Arbeit beschäftigt die Physik seit mehr als einem Jahrhundert: Wo und wie entstehen die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung? Diese überwiegend aus Protonen und anderen Atomkernen bestehende Strahlung erreicht fortwährend die Erde. Magnetfelder lenken die elektrisch geladenen Teilchen jedoch unterwegs ab und erschweren es, ihre Herkunft zu bestimmen. Neutrinos sind elektrisch neutral und behalten ihre Flugrichtung bei. Sie entstehen beispielsweise, wenn hochenergetische Protonen mit Materie wechselwirken, und können damit Hinweise auf die kosmischen Beschleuniger liefern, die solche Protonen hervorbringen.
Weil Neutrinos nur äußerst selten mit Materie reagieren, braucht ihr Nachweis ein gewaltiges Messvolumen. Halzen trieb über Jahrzehnte die Entwicklung eines Observatoriums voran, das dafür tiefes antarktisches Eis nutzt. Gemeinsam mit einem internationalen Team wurden zunächst im Vorgängerexperiment AMANDA die technischen Voraussetzungen erprobt. In IceCube erfassen heute 5.160 optische Sensoren in einem Kubikkilometer Eis die Lichtsignale von Sekundärteilchen, die bei Neutrinowechselwirkungen entstehen. Das Observatorium ist zugleich die Grundlage für die Arbeit der internationalen IceCube-Kollaboration, in der Forschende gemeinsam den Detektor betreiben, Daten auswerten und wissenschaftliche Fragen untersuchen.
2013 veröffentlichte die Kollaboration erstmals Evidenz für einen hochenergetischen Neutrinofluss kosmischen Ursprungs, der sich nicht allein durch Prozesse in der Erdatmosphäre erklären ließ. Dieser Durchbruch ist ein zentraler Bezugspunkt der Nobelpreiswürdigung, die zugleich Halzens entscheidende Beiträge zum Observatorium umfasst. Damit wurde die über Jahrzehnte verfolgte Idee eines Observatoriums für hochenergetische kosmische Neutrinos experimentell bestätigt.
IceCube erschloss mit maschinellem Lernen das Signal der Milchstraße
Innerhalb dieses Forschungsprogramms gelang der IceCube-Kollaboration 2023 erstmals der Nachweis hochenergetischer Neutrinoemissionen aus der Milchstraße. Einen entscheidenden Beitrag lieferten ML-Verfahren aus der Dortmunder Astroteilchenphysikgruppe um Prof. Dr. Wolfgang Rhode, Area Chair des Forschungsbereichs Physik am Lamarr-Institut. Mirco Hünnefeld entwickelte dort neue Analyseverfahren; die Arbeiten entstanden in Zusammenarbeit mit der KI-Gruppe von Lamarr-Gründungsdirektorin Prof. Dr. Katharina Morik im Sonderforschungsbereich 876. Zum Einsatz kamen unter anderem Convolutional Neural Networks, neuronale Netze zur Erkennung räumlicher Muster, ergänzt durch Entscheidungsbäume für die Ereignisauswahl.
Die Untersuchung nutzte sogenannte Kaskaden, bei Neutrinowechselwirkungen entstehende Teilchenschauer mit einem annähernd kugelförmigen Lichtmuster. Forschende der Drexel University entwickelten Verfahren zur Auswahl dieser Ereignisse; die Dortmunder ML-Methoden verbesserten ihre Erkennung sowie die Bestimmung von Energie und Herkunftsrichtung. KI verändert hier die Möglichkeiten der Datenauswertung: In den umfangreichen Messdaten müssen seltene kosmische Signale vom dominierenden atmosphärischen Hintergrund unterschieden werden. Schnellere und präzisere Rekonstruktionen erlauben es, wesentlich mehr geeignete Ereignisse für die Analyse zu berücksichtigen. Die gemeinsame Untersuchung der IceCube-Kollaboration umfasste rund 60.000 ausgewählte Ereignisse aus zehn Jahren Messbetrieb, etwa 30-mal so viele wie eine frühere Kaskadenanalyse der galaktischen Ebene. Zusammen mit weiteren Verbesserungen wurde die Suche dreimal empfindlicher.
Das entstandene „Neutrinobild“ ist eine statistische Karte. Es zeigt die Emission aus der galaktischen Ebene, ohne einzelne Quellen aufzulösen. Es ist mit Neutrinos vereinbar, die bei Wechselwirkungen kosmischer Strahlung mit interstellarer Materie entstehen; auch bislang nicht einzeln erkennbare Quellen könnten beitragen. Welche kosmischen Beschleuniger dahinterstehen, bleibt offen. Die Beiträge aus dem Lamarr-Umfeld erweitern damit innerhalb der IceCube-Kollaboration die wissenschaftlichen Möglichkeiten des von Halzen maßgeblich aufgebauten Observatoriums. Sie zeigen, wie eng Fortschritte in der Neutrinoastronomie mit der Entwicklung leistungsfähiger Analyseverfahren verbunden sind.
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