Physik unter Tage

Die Physiker Silke Rajek, Daniel Gehre (TU Dresden) und Jan Tebrügge (v. li.) sind nicht wegen der schönen Landschaft  nahe des Gran Sasso Massivs unterwegs. Sie forschen im weltgrößten Untergrundlabor für Teilchenphysik.
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Physiker der Technischen Universität Dortmund (TU) reisen alle vier Monate in die italienischen Abruzzen, um in einem Labor 1400 Meter unter der Erde zu forschen. Die Wissenschaftler sind den so genannten Neutrinos auf der Spur. Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Dossiers „Wissen in Dortmund“ der Ruhrnachrichten.

Die Physiker Silke Rajek, Daniel Gehre (TU Dresden) und Jan Tebrügge (v. li.) sind nicht wegen der schönen Landschaft  nahe des Gran Sasso Massivs unterwegs. Sie forschen im weltgrößten Untergrundlabor für Teilchenphysik.

Die Physiker Silke Rajek, Daniel Gehre (TU Dresden) und Jan Tebrügge (v. li.) sind nicht wegen der schönen Landschaft nahe des Gran Sasso Massivs unterwegs. Sie forschen im weltgrößten Untergrundlabor für Teilchenphysik.

Es ist ein frischer Septembermorgen in den italienischen Abruzzen. Im Bergdörfchen Assergi machen sich Jan Tebrügge und Silke Rajek bereit für ihren Tagesausflug. Die beiden Dortmunder Physiker sind jedoch nicht hier, um die Natur zu genießen. Stattdessen fahren sie durch einen Tunnel zehn Kilometer in das Gran-Sasso-Massiv hinein, nehmen mittendrin eine Abzweigung und erreichen Arbeitsplatz: das unterirdische Labor „Laboratori nazionali del Gran Sasso“.

Den Neutrinos auf der Spur

In diesem weltweit größten Untergrundlabor für Teilchenphysik arbeiten mehr als 750 Wissenschaftler aus 22 Ländern an 15 verschiedenen Experimenten. Das Labor ist so groß wie der Platz im Dortmunder Stadion.  Der Kontrast zwischen Tourismusregion über und Forschungsregion unter dem Berg lässt die Besucher staunen. „Das ist wirklich surreal“, erzählt Doktorandin Silke Rajek, „Da unten arbeiten wir in einem der modernsten Labore der Welt, und über der Erde wird noch mit uralten Maschinen die Ernte eingebracht.“

Die Physiker der Dortmunder Universität sind hier einer Sorte kleinster Teilchen auf der Spur, den Neutrinos. Im „COBRA-Projekt“ versuchen sie gemeinsam mit Projektpartnern aus Deutschland und der tschechischen Republik einen seltenen Zerfall von Atomkernen nachzuweisen. Dieser Zerfall wäre aber nur möglich,  wenn das Neutrino eine besondere Eigenschaft hätte: Es müsste sein eigenes Antiteilchen sein, also – symbolisch gesprochen – quasi gleichzeitig schwarz und weiß oder plus und minus auftreten können (s. Infokasten).

Noch ein steiniger Weg

Was so unwirklich klingt, hätte auch  weit reichende Konsequenzen für die Teilchenphysik. Die Zwitterrolle der Neutrinos würde erklären warum beim Urknall mehr Materie als Antimaterie entstand. Da Teilchen und Antiteilchen bei Berührung zu Energie zerstrahlen, hätte es ohne dieses Ungleichgewicht den Menschen wohl nie gegeben. Bis zu den ersten Ergebnissen ist es aber ein steiniger Weg, berichtet Diplomand Jan Tebrügge: „Wir müssen erst prüfen, ob wir so genau messen können, dass wir den gesuchten Zerfall mit unseren Instrumenten überhaupt sehen“.

Einer der Zugangstunnel zum Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Foto: privat.

Immerhin kommt im Detektor für die Messungen ein ganzes Konzert aus Signalen anderer kosmischer Teilchen an. Aus diesem gilt es, die leisen Stimmchen des gesuchten Ereignisses herauszufiltern. Nicht ohne Grund befindet sich über den Köpfen der Forscher ein 1400 Meter dickes Gesteinsmassiv. „Das Gestein des Berges schirmt einen Großteil der natürlichen kosmischen Strahlung ab“, erklärt Jan Tebrügge, „aber sogar das Gestein selber strahlt von Natur aus ein wenig. Wir müssen deshalb genau wissen wie die verschiedenen Signale aussehen, um sie den richtigen Teilchen zuordnen zu können.“

Fragt sich nur, warum die Dortmunder so weit fahren für ihre Experimente – um unter Tage zu arbeiten, gäbe es im Ruhrgebiet schließlich genug alte Zechenschächte. „Im Prinzip schon“, erklärt Jan Tebrügge, „man müsste aber erst für viel Geld die Infrastruktur schaffen, die es in Gran Sasso schon gibt.“ „Außerdem verwenden wir Starkstrom. Das könnte zusammen mit Grubengas gefährlich werden“, fügt Tobias Köttig hinzu, ebenfalls Doktorand in der Forschergruppe.

Zumindest den Versuchsaufbau testen die Physiker aber zunächst in Dortmund. In einem abgeschirmten Raum prüfen sie alle Bauteile und sogar den Klebstoff, denn nichts darf unerwünschte Strahlung verursachen. Etwa alle vier Monate fahren dann einige der Forscher nach Italien und bauen die getesteten Geräte dort unter Tage ein.

„Das ist schon seltsam da im Berg: Immer das gleiche Licht, immer die gleiche Temperatur. Da arbeitet man schon mal 15 Stunden am Stück ohne es zu merken“, erzählt Jan Tebrügge. „Zum Essen fahren wir manchmal raus, denn da drinnen gibt es nur einen Automaten mit steinharten Sandwiches“. Draußen über dem Bergmassiv ist das Leben dann schon weniger hart. „ Ich freue mich jedes Mal auf die wundervollen Kaffeespezialitäten und die herzliche Aufnahme in unserer Stammpension in Assergi“, sagt Silke Rajek.  Das klingt dann zumindest nach einer Spur von  Urlaubsgefühl in Bella Italia.

 

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Infokasten: Neutrinos

„Ich habe etwas Schreckliches getan: Ich habe ein Teilchen erfunden, das nicht nachgewiesen werden kann,“ sagte der österreichische Physiker Wolfgang Pauli, als er 1930 das Neutrino theoretisch vorhersagte. 26 Jahre später wurde das Teilchen dann doch in Experimenten gefunden.

Tatsächlich aber sind Neutrinos schwer nachzuweisen da sie kaum mit anderen Teilchen wechselwirken. Im COBRA-Experiment von Physikern der TU Dortmund werden sie daher indirekt nachgewiesen. Bei einem bestimmten Zerfall von Atomkernen spielen sowohl Elektronen als auch Neutrinos eine wichtige Rolle. Indem die Forscher die Elektronen beobachten, können sie auf die Eigenschaften der Neutrinos schließen. Das zerfallende Material und die Bezeichnung des Zerfalls geben dem Experiment seinen kryptischen englischen Namen: Cadmium-Zinc-Tellurium 0-Neutrino Double-Beta Research Apparatus. Unter Wissenschaftlern ist umstritten, ob der Zerfall schon einmal beobachtet wurde. Er kann nur dann stattfinden wenn Neutrinos ihr eigenes Gegenstück, also ihre eigenen Antiteilchen sind.

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