Baikal-GVD: das Neutrinoteleskop unter dem Eis

Was ist Baikal-GVD und wo genau liegt es?

Baikal-GVD ist ein Detektor für hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall, der aus Tausenden Lichtsensoren besteht, die an senkrechten Leinen im tiefen Wasser des Baikalsees hängen. Die Abkürzung steht für Gigaton Volume Detector: Gemeint ist ein Wasservolumen von rund einem Kubikkilometer, das eine Milliarde Tonnen wiegt. Das Teleskop soll die Quellen der energiereichsten Teilchen im Universum aufspüren, etwa aktive Galaxienkerne oder Überreste von Supernovae, und gehört zur noch jungen Neutrinoastronomie.

Die Anlage liegt im Südbecken vor dem Nordwestufer, südwestlich von Port Baikal an der Quelle der Angara. Nach Angaben des Vereinigten Instituts für Kernforschung (JINR) in Dubna befindet sie sich 3,6 Kilometer vor dem Ufer in rund 1.300 Metern Wassertiefe, die Projektseite nennt eine Tiefe von 1.366 Metern und knapp 4 Kilometer Abstand zur Uferstation. Die Unterschiede ergeben sich daraus, ob vom Ufer oder von der Station gemessen wird und ob ein gerundeter oder der genaue Tiefenwert angegeben ist.

An Land steht die Uferstation mit Stromversorgung, Rechenzentrum und Unterkünften. Sie liegt in einem Schutzgebiet direkt an der Bahnstrecke, eine Haltestelle der historischen Circum-Baikal-Bahn befindet sich gleich daneben. In Berichten des JINR wird der Standort nach dem Streckenkilometer schlicht als „106 km“ bezeichnet. Elektro-optische Kabel am Seegrund verbinden jedes Cluster mit der Station; von dort lassen sich alle Module auch über das Internet steuern.

Wie weist man Neutrinos in einem See nach?

Neutrinos selbst sieht man nicht; man erkennt sie an dem schwachen bläulichen Licht, das geladene Teilchen erzeugen, wenn ein Neutrino im Wasser mit einem Atomkern zusammenstößt. Neutrinos sind elektrisch neutral und fast masselos. Sie durchdringen Gas, Staub und sogar die ganze Erde, ohne abgelenkt zu werden, und zeigen deshalb geradlinig auf ihre Quelle. Diese Eigenschaft macht sie für die Astronomie wertvoll, zugleich aber schwer zu fassen: Nur ein winziger Bruchteil reagiert überhaupt mit Materie.

Trifft ein energiereiches Neutrino doch einen Atomkern, entstehen geladene Teilchen, die schneller sind als das Licht im Wasser. Sie senden dabei einen Lichtkegel aus, das Tscherenkow-Licht. Die Idee, dieses Licht in tiefen, klaren Gewässern zu messen, stammt von dem sowjetischen Physiker Moissei Markow aus dem Jahr 1960. Die Sensoren registrieren, wann und wie hell das Licht ankommt; aus dem Muster errechnen die Forscher Richtung und Energie des Neutrinos.

Man unterscheidet zwei Arten von Ereignissen. Bei einer Spur entsteht ein Myon, ein schwerer Verwandter des Elektrons, das kilometerweit durch das Wasser fliegt; seine Richtung lässt sich sehr genau bestimmen, bei Baikal-GVD nach Projektangaben auf rund 0,25 Grad. Bei einer Kaskade entlädt sich die Energie in einem kompakten Teilchenschauer; die Richtung ist mit rund 2 Grad ungenauer, die Energie dafür besser messbar. Weil von oben ständig Myonen aus der Erdatmosphäre einfallen, werten die Forscher vor allem Ereignisse aus, die von unten kommen. Dann dient der ganze Erdball als Filter, den nur Neutrinos durchqueren.

Auch die Atmosphäre erzeugt Neutrinos, wenn kosmische Strahlung auf Luftmoleküle trifft. Sie bilden einen starken Untergrund. Nach einer Übersicht der Kollaboration von 2024 treten oberhalb von etwa 10 Teraelektronenvolt pro Kubikkilometer und Jahr nur rund ein Dutzend Wechselwirkungen kosmischer Neutrinos auf. Deshalb müssen Neutrinoteleskope so groß sein, und deshalb nutzt man natürliche Gewässer oder Eis statt künstlicher Tanks.

Warum steht das Teleskop gerade im Baikalsee?

Der Baikal bietet eine seltene Kombination: große Tiefe nahe am Ufer, einen ebenen Grund, sehr klares Süßwasser und eine feste Eisdecke, von der aus sich die Anlage jedes Jahr ohne Spezialschiffe erweitern lässt. Diese Gründe nennt die Projektseite ausdrücklich, dazu die Bahnstrecke am Ufer, über die Material und Personal anreisen. Das Wasser über den Sensoren schirmt einen großen Teil der Myonen aus der Atmosphäre ab.

Entscheidend ist die Durchsichtigkeit. Die Absorptionslänge des Lichts erreicht im tiefen Wasser nach Messungen der Kollaboration 22 Meter. Licht wird zwar auch gestreut, aber überwiegend nur leicht aus seiner Richtung abgelenkt; rechnet man das ein, liegt die effektive Streulänge bei bis zu 480 Metern. Wie klar das Baikalwasser schon nahe der Oberfläche ist und wovon die Sichttiefe abhängt, zeigt die Seite über Sichttiefe und Reinheit des Baikalsees. Im Vergleich mit dem Eis am Südpol, in dem Ungleichmäßigkeiten des Eises das Licht stärker streuen, erlaubt das Wasser eine schärfere Richtungsbestimmung.

Der See hat auch Nachteile. Im Wasser leuchten Stoffe und Organismen schwach von selbst, ein Hintergrundlicht, das je nach Jahreszeit stark schwankt und die Messung von Tscherenkow-Licht stört. Die Leinen sind nicht starr verankert, sondern hängen zwischen Anker und Auftriebskörpern und bewegen sich mit den Strömungen; jedes Modul muss deshalb laufend akustisch geortet werden. Und das Eis ist nicht jedes Jahr gleich tragfähig. Im Winter 2026 endete die Arbeit auf dem Eis einige Tage früher als geplant, weil Schnee fehlte und Sonne und Wärme die Eisstruktur so veränderten, dass die Tragfähigkeit sank.

Was für die Physik ein Störsignal ist, nutzt die Seeforschung. Die Kollaboration beobachtete 2018 bis 2020 eine von Jahr zu Jahr zunehmende Leuchtaktivität und erstmals eine stark leuchtende Wasserschicht, die mit bis zu 28 Metern pro Tag nach oben wanderte. Seit 2021 misst ein Gerät in 1.180 Metern Tiefe jede Woche, wie stark das Wasser Licht verschiedener Wellenlängen absorbiert und streut. Im Winter 2026 führten die Staatliche Universität Irkutsk und das Limnologische Institut vom Eislager aus eigene hydrologische Experimente durch.

Wie ist ein Cluster des Teleskops aufgebaut?

Ein Cluster besteht aus acht senkrechten Leinen, den Strings, mit je 36 optischen Modulen, insgesamt also 288 Lichtsensoren. Sieben Strings stehen im Kreis rund 60 Meter um einen zentralen String. Auf jeder Leine folgen die Module im Abstand von 15 Metern aufeinander und sind in drei Sektionen zu je zwölf Modulen gegliedert. Jede Sektion hat ein eigenes Elektronikmodul, das die Signale digitalisiert, mit einem Zeitstempel versieht und an das Zentrum des Clusters weiterleitet.

Das optische Modul ist eine druckfeste Glaskugel mit einem Photomultiplier von 10 Zoll Durchmesser, einer Röhre, die einzelne Lichtquanten in messbare Stromimpulse verwandelt. Dazu kommen Hochspannungsversorgung, Elektronik, Leuchtdioden zur Kalibrierung, ein Neigungsmesser und ein Kompass. Schwere Anker halten die Strings am Grund, Bündel von Auftriebskörpern ziehen sie nach oben. Hydrofone und akustische Sender bestimmen fortlaufend die Lage jedes Moduls.

Die Cluster liegen 250 bis 300 Meter voneinander entfernt und arbeiten jeweils als eigenständiger Detektor. Weil alle Uhren genau synchronisiert sind, lassen sich Lichtspuren, die mehrere Cluster durchqueren, an der Uferstation zusammenführen. Zwischen den Clustern stehen zusätzliche Strings mit starken gepulsten Lasern, mit denen die Forscher die Anlage eichen und die Lichtausbreitung im Wasser vermessen. Ein einzelnes Cluster erfasst Kaskaden über 100 Teraelektronenvolt in einem wirksamen Volumen von etwa 0,04 bis 0,05 Kubikkilometern; mit jedem neuen Cluster wächst das Volumen nahezu linear.

Für die Tiefe der Module gibt es zwei leicht verschiedene Angaben. Die Projektseite nennt rund 700 Meter für die obersten und 1.240 Meter für die untersten Module, eine Übersichtsarbeit der Kollaboration von 2024 nennt 750 bis 1.275 Meter. Beide beschreiben dieselbe Spanne von gut 500 Metern, die sich aus 36 Modulen im Abstand von 15 Metern ergibt. Unter den untersten Modulen bleiben bis zum Seegrund noch rund 100 Meter Wasser.

Wie ist das Teleskop seit 1980 gewachsen?

Die Wurzeln des Projekts reichen mehr als vier Jahrzehnte zurück. Am 1. Oktober 1980 gründete das Institut für Kernforschung der sowjetischen Akademie der Wissenschaften in Moskau ein Labor für Neutrinoastrophysik hoher Energien. Geleitet wurde es von Grigori Domogazki, der das Projekt auf Vorschlag der Physiker Moissei Markow und Alexander Tschudakow aufbaute und bis zu seinem Tod am 17. Dezember 2024 führte. Nach einer Notiz des JINR deuteten Kollegen die Abkürzung GVD scherzhaft als seine Initialen.

Ab 1993 senkten die Forscher die ersten drei Leinen des Teleskops NT-200 ab, das im April 1998 mit 192 Modulen an acht Strings fertig wurde. Das JINR bezeichnet es als erstes Tiefwasser-Neutrinoteleskop der Welt. 2005 kamen drei äußere Strings hinzu. Den neuen Ausbau zum Kubikkilometer begann die Kollaboration 2015 mit einem Demonstrationscluster aus 192 Modulen; seit 2016 kommt jedes Jahr mindestens ein Cluster hinzu. Wie das Teleskop in die lange Geschichte der Baikalforschung passt, beschreibt die Seite zur Erforschung des Baikalsees.

Gebaut wird nur im Spätwinter. Sobald das Eis trägt, meist ab Februar, richtet die Expedition ein Lager auf dem See ein, schneidet Öffnungen ins Eis und senkt Strings, Kabel und Anker mit Winden ab, bis die Decke etwa Mitte April zu unsicher wird. Wie dick das Eis im Südbecken wird und wann es aufbricht, erklärt die Seite über den Baikalsee im Winter. An der Expedition 2026 nahmen mehr als 70 Personen teil. Sie installierten die Cluster 15 und 16, legten ein Bodenkabel für zwei weitere Cluster, setzten drei Kalibrierstrings mit Lasern und nahmen einen String mit 20-Zoll-Photomultipliern in Betrieb. Mit 756 neuen Modulen war es nach Angaben des JINR die bisher größte Zahl in einer Saison. Seit dem 6. April 2026 nehmen alle 16 Cluster Daten.

Welche Ergebnisse hat Baikal-GVD bisher geliefert?

Das wichtigste Ergebnis ist die unabhängige Bestätigung des diffusen kosmischen Neutrinoflusses, den das Teleskop IceCube am Südpol 2013 als Erstes nachgewiesen hatte. Gemeint ist ein Strom hochenergetischer Neutrinos, der aus allen Richtungen des Himmels kommt und sich keiner einzelnen Quelle zuordnen lässt. Eine erste Auswertung von Kaskaden der Jahre 2018 bis 2021 ergab 2023 einen Überschuss mit einer statistischen Signifikanz von 3,05 Sigma. Mit Daten von April 2018 bis März 2024, als das Teleskop von 15 auf 55 Prozent seiner geplanten Größe wuchs, stieg die Signifikanz auf 5,1 Sigma, die in der Physik übliche Schwelle für einen Nachweis. Die gemessenen Werte passen weitgehend zu denen von IceCube.

Daneben gibt es Hinweise auf einzelne Quellen, die aber noch nicht als gesichert gelten. Im April 2021 registrierte Baikal-GVD eine Kaskade mit geschätzt 224 Teraelektronenvolt aus der Richtung des Blazars TXS 0506+056, einer aktiven Galaxie, die IceCube schon 2017 mit einem Neutrino in Verbindung gebracht hatte. Kaskaden über 200 Teraelektronenvolt aus sechs Messjahren häufen sich zudem in Richtung der Ebene der Milchstraße; allein ist der Befund schwach, zusammen mit öffentlichen IceCube-Daten deutlich stärker. Eine Suche nach Myonspuren aus den Jahren 2019 bis 2024 in Richtung von 92 möglichen Quellen ergab 2026 keinen signifikanten Überschuss, sondern Obergrenzen, mit einem schwachen Hinweis aus Richtung des Sternhaufens Westerlund 1. Für Neutrinos mit Energien über einigen Petaelektronenvolt setzte die Kollaboration 2025 Obergrenzen.

Das Teleskop verbreitet außerdem Schnellmeldungen. Erkennt die Echtzeitauswertung ein auffälliges Ereignis, gehen Warnungen an Observatorien in aller Welt, damit diese gezielt nach Licht, Röntgen- oder Gammastrahlung aus derselben Richtung suchen. Umgekehrt prüft Baikal-GVD Meldungen anderer Instrumente. Diese Verbindung verschiedener Botenteilchen heißt Multi-Messenger-Astronomie.

Wie unterscheidet sich Baikal-GVD von IceCube und KM3NeT?

Weltweit gibt es drei große Neutrinoteleskope: IceCube im Eis am Südpol, KM3NeT im Mittelmeer und Baikal-GVD. IceCube ist das einzige fertige Teleskop von einem Kubikkilometer und bisher das empfindlichste. Baikal-GVD und KM3NeT sind noch im Bau. Von der Nordhalbkugel aus blicken beide durch die Erde auf einen anderen Teil des Himmels als IceCube, darunter das Zentrum der Milchstraße, und ergänzen es so. Alle drei gehören zum Global Neutrino Network, einem Verbund der großen Neutrinoteleskope.

Die Medien unterscheiden sich in der Optik. Eis ist sehr durchsichtig, streut das Licht aber stärker; Meer- und Seewasser streuen weniger und erlauben eine genauere Richtungsmessung. Das Hintergrundlicht im Süßwasser des Baikals beschreibt das Projekt als mäßig; im Meer kommt das Leuchten zerfallender Kaliumatome aus dem gelösten Salz hinzu. Ein Vorteil des Baikals ist die Logistik über das Eis, ein Nachteil die kurze Bausaison von wenigen Wochen im Jahr.

Gebaut wird Baikal-GVD von einer internationalen Kollaboration unter Führung des Instituts für Kernforschung in Moskau und des JINR in Dubna. Nach Angaben des JINR sind mehr als 70 Wissenschaftler und Ingenieure aus Forschungszentren in Russland, Tschechien, der Slowakei und Kasachstan beteiligt, darunter die Staatliche Universität Irkutsk. Lange arbeitete auch eine Gruppe des Forschungszentrums DESY in Zeuthen bei Berlin mit; ihr Leiter Christian Spiering erhielt 2006 zusammen mit Domogazki den Markow-Preis der Russischen Akademie der Wissenschaften. 2026 betreute die Expedition zudem einen Prototyp-String für ein geplantes Teleskop der nächsten Generation mit dem Namen HUNT, das gemeinsam mit dem Institut für Hochenergiephysik in Peking entwickelt wird.

Quellen: Baikal-GVD Collaboration / JINR: Projektseite (Ausbaustufen, Standort); Baikal-GVD: Telescope (Aufbau der Cluster); JINR, Labor für Kernprobleme: Expedition 2026 abgeschlossen; Baikal-GVD Collaboration (2025): Neutrino astronomy at Lake Baikal, Phys. Atom. Nuclei 88; Baikal-GVD Collaboration (2025): Diffuse astrophysical neutrino flux over six seasons; Baikal-GVD Collaboration (2024): Cascade from TXS 0506+056, MNRAS 527; IceCube Neutrino Observatory; KM3NeT: Detector. Weitere: Baikal-GVD Collaboration 2023 (Phys. Rev. D 107), 2025 (ApJ 982), arXiv 2107.14211, 2309.16300, 2507.05769, 2603.21261; Wikipedia (englisch, russisch, deutsch). Stand: Oktober 2026.