Von Nuggets zu Neutrinos


Fördertrosse mit Motor, Homestake Mine in Süd-Dakota (Fotos: Thomas Bührke)

Am 21. August 2017 hat sich um die Mittagszeit der Himmel über den USA von Oregon bis South Carolina verfinstert. Aus Anlass dieses kosmischen Spektakels hat sich bild der wissenschaft einen Platz im Kernschatten gesucht, um zusammen mit Lesern die SoFi 2017 zu bestaunen. Unser Autor Thomas Bührke berichtet über den letzten Halt auf der Reise.

Wenn Physiker in den Untergrund gehen, haben sie normalerweise keine illegalen Absichten. Vielmehr machen sie sich auf die Suche nach schwer nachweisbaren Teilchen, wie Neutrinos oder die von Astronomen prognostizierten Partikel der Dunklen Materie. Als letztes Highlight der bild der wissenschaft-Leserreise besuchten wir die Homestake-Mine in Süd-Dakota.

Tief im Innern, in 1475 Meter Tiefe, wies der Physiker Ray Davis Ende der 1960er-Jahre in einem mit 380.000 Litern Perchlorethylen gefüllten Tank erstmals Neutrinos nach, die im Fusionsofen unserer Sonne entstehen und von dort ins All hinausschießen. Überraschenderweise maß Davis 30 Prozent weniger Teilchen als vorhergesagt. Damit war das Sonnenneutrino-Rätsel geboren, das erst Jahrzehnte später gelöst werden konnte. Davis erhielt hierfür 2002 den Physik-Nobelpreis. Sein Experiment ist längst abgebaut, wir fahren dennoch den 1450 Meter tiefen Schacht hinunter, wo empfindliche Messgeräte installiert werden, mit denen Physiker neue Rätsel des Kosmos lösen wollen.

Die Homestake Mine in dem kleinen Ort Lead war die ertragreichste Goldmine Nordamerikas, bis sie 2002 geschlossen wurde. Die Technik, mit der die Förderkörbe noch heute betrieben werden, stammt aus den 1930er-Jahren. Ein 1250-PS-Elektromotor bewegt den an einer dicken, 17 Tonnen schweren Stahltrosse hängenden Förderkorb. Ihm vertrauen wir uns an, als es im Dunkeln mit zehn Kilometer pro Stunde ratternd in die Tiefe geht. Nach zehn Minuten haben wir das Labor erreicht, das kürzlich Davis Campus getauft wurde. Die gesamte Untergrundanlage trägt den Namen Sanford Lab.

Lichtblitze im Xenon-Tank

In der ehemaligen Halle des Davis-Experiments erklärt uns der aus Heidelberg stammende Physiker Markus Horn das im Aufbau befindliche Experiment Lux-Zeplin. Es soll Dunkle Materie, genauer schwach wechselwirkende, materielle Teilchen (Weakly Interacting Massive Particles, kurz Wimp) nachweisen.

Das Lux-Zeplin-Experiment besteht im Kern aus einem Tank mit ultrareinem Xenon. Fliegt ein Wimp dort hinein und stößt mit einem Xenon-Atom zusammen, wird ein Lichtblitz ausgelöst, den rund um den Tank angeordnete, empfindliche Detektoren nachweisen. Sollten die Vorhersagen der Theoretiker stimmen, könnte Lux-Zeplin vielleicht ein bis zwei Dutzend solcher Ereignisse pro Jahr nachweisen. Damit wird auch klar, warum die Forscher ihr Experiment tief im Berg verstecken. Der darüber liegende Fels schirmt es gegen kosmische Strahlungsteilchen ab, die unablässig auf die Erdoberfläche treffen. Sie würden in dem Xenon-Tank ein Blitzlichtgewitter auslösen, in dem die sporadischen Wimp-Signale untergingen. Der Versuch, inmitten eines Sivesterfeuerwerks einen Leuchtkäfer aufzuspüren, wäre dagegen ein Kinderspiel.

Der Nobelpreis wäre sicher

Derzeit arbeiten 220 Physiker aus 36 Instituten am Aufbau von Lux-Zeplin, ab 2020 soll es arbeiten. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor in den Abruzzen läuft seit etwa einem Jahr ein ganz ähnliches Experiment namens Xenon1T, das derzeit als empfindlichster Detektor für Wimps gilt. Sollte eines der beiden Experimente oder beide irgendwann ihr Ziel erreichen, so wäre den Physikern der Nobelpreis sicher.

In einem anderen Labor des Davis Campus erfahren wir etwas über eine spezielle Art von radioaktivem Zerfall von Germanium-76, der Aufschluss über unbekannte Eigenschaften von Neutrinos liefern soll. Er könnte sogar ein Schlüssel zu der offenen Frage sein, warum es im Universum überhaupt Materie gibt und nicht nur Strahlung. Der sogenannte neutrinolose Doppelbeta-Zerfall von Germanium-76 ist, sofern es ihn überhaupt gibt, so selten, dass auch dessen Signal nicht in der kosmischen Strahlung untergehen darf.

Teilchen mit Tarnkappe

Das zukünftige Megaprojekt in der Homestake-Mine heißt LBNF-Dune. Es soll Neutrinos auffangen, die im 1300 Kilometer entfernten Beschleuniger des Fermilab in Chicago erzeugt und in Richtung Homestake-Mine geschossen werden. Auf ihrem Weg wechseln die Neutrinos ihre Art. Physiker sprechen von Neutrino-Oszillationen. Auch deren Untersuchung mit LBNF-Dune könnte uns der Frage nach der Existenz von Materie näherbringen. Unten im Bergwerk vermögen wir uns allerdings kaum vorzustellen, wie man die großen Bauteile des Experiments hier runterschaffen und aufbauen will.

Wieder an der Oberfläche genießen wir das Licht der Sonne, mit deren Neutrino-Strahlung die Forschung vor einem halben Jahrhundert in der Homestake-Mine begann.

Die Erklärung für das Defizit, das Davis damals gemessen hatte, waren übrigens die erwähnten Neutrino-Oszillationen. Im Innern der Sonne werden Elektron-Neutrinos frei. Auf dem Weg zur Erde wandelte sich jedes Dritte von ihnen in ein Müon-Neutrino um. Die konnte Davis aber nicht nachweisen, weswegen scheinbar 30 Prozent Neutrinos zu wenig ankamen. Die Teilchen hatten sich gewissermaßen eine Tarnkappe aufgesetzt und wurden unsichtbar. Die Natur macht es den Physikern oft nicht leicht.

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