Der Riese unter dem Berg
Hyper-Kamiokande Neutrino-Experiment in Japan: Die Kaverne ist fertiggestellt, Schweizer Gruppen beginnen mit dem Aufbau des Detektors
In einem Loch in der Erde lebte … ein Detektor, eingebettet in 260 Millionen Litern hochreinen Wassers. Klingt wie der Anfang einer guten Geschichte? Das wird sich zeigen – denn um ganz genau zu sein lebt der Detektor dort noch gar nicht; er muss erst gebaut werden. Und es ist auch nicht irgendein Loch: Es ist eine der grössten von Menschen gemachten Höhlen der Menschheitsgeschichte (also weit entfernt von einer gemütlichen Hobbitbehausung). Die Erdarbeiten unter dem Berg Nijugoyama in den japanischen Alpen sind gerade abgeschlossen. Wenn die Karverne komplett fertiggestellt und ausgestattet ist, zieht hier ein wahrlich beeindruckender Neutrino-Detektor ein: Hyper-Kamiokande. Schweizer Forschungsgruppen spielen bei vielen Meilensteinen und Projekten innerhalb der internationalen Kollaboration eine Schlüsselrolle.
Aber fangen wir am Anfang an. Was ist Hyper-Kamiokande und warum sind Neutrinos in der Teilchenphysik so gefragt? Neutrinos sind ein so grosses Thema, weil Wissenschaftler:innen hoffen, dass sie Fakten über das Universum aufdecken, über die sie seit langem rätseln. Warum dominiert Materie über Antimaterie? Gibt es etwas, das wir im Standardmodell der Teilchenphysik übersehen? Leider sind Neutrinos ziemlich unzugänglich. Sie interagieren kaum mit irgendetwas, was ihre Beobachtung und Untersuchung sehr kompliziert macht. Mehrere Neutrinoexperimente laufen und liefen bereits; weitere sind weltweit in Planung und im Bau. Einige sind ins ewige Eis am Südpol eingelassen, andere warten in stillgelegten Bergwerken auf Neutrinos von der Sonne, sammeln Teilchenstrahlen aus Hunderten von Kilometern Entfernung ein oder untersuchen sie an Kernreaktoren. (Übrigens, wenn Sie mehr über die Neutrinos und die verschiedenen Aktivitäten der Schweizer Institute in der Neutrinoforschung erfahren möchten werden Sie hier fündig link).
Eines dieser Experimente, die tief unter der Erde liegen, um die störende kosmische Strahlung abzuschirmen, ist Hyper-Kamiokande. Es wird in der Präfektur Gifu in Zentraljapan gebaut – einer Region, die nicht nur für ihre Berge, sondern auch für Zink-, Blei- und Silberminen bekannt ist. In einer dieser Minen werden seit langem Neutrinoexperimente durchgeführt, darunter auch dasjenige, mit dem im Jahr 1998 festgestellt wurde, dass sich Neutrinos spontan von einer Art in eine andere umwandeln können. Damit war bewiesen, dass sie eine Masse haben, wofür es 2015 den Nobelpreis für Physik gab. Hyper-Kamiokande wird die neueste und bei weitem grösste Anlage in dieser Reihe von riesigen unterirdischen Neutrino-Observatorien sein. Wenn es in einigen Jahren in Betrieb geht, wird es zwanzigmal leistungsfähiger sein als sein Vorgänger, Super-Kamiokande. Im vergangenen Monat wurden die Erdarbeiten für die riesige unterirdische Kaverne abgeschlossen, die bis zu 69 Meter breit und 73 Meter hoch ist und 600 Meter unter der Erdoberfläche liegt. In den kommenden Jahren wird sie mit 20 000 Photomultiplier-Röhren (PMTs) ausgestattet, einer Technologie, die bereits im aktuellen Experiment eingesetzt wird und somit bestens verstaden ist. PMTs sind hochempfindliche Lichtdetektoren, die schwache Lichtblitze auffangen, die entstehen können, wenn Neutrinos mit Materie wechselwirken. Die Materie ist in in diesem Fall hochreines Wasser: Die Menge, die später die Kaverne fluten wird, könnte hundert olympische Schwimmbecken füllen. Wenn ein Neutrino im Wasser geladene Teilchen erzeugt, senden diese Cherenkov-Strahlung aus, die dann von den PMT-Arrays an den Tankwänden nachgewiesen wird.
Die Arrays sind fest in der Hand von Forschenden aus Europa, darunter massgeblich auch Schweizer Institute. Diese haben eine Methode entwickelt, um die PMTs miteinander zu verbinden und die Anlage autarker zu machen als ihre Vorgänger. „Hyper-Kamiokande wird zu gross sein, um alle PMTs per Kabel zu verbinden“, erklärt André Rubbia, Professor an der ETH Zürich. „Wir haben eine Lösung gefunden, die 24 PMTs miteinander in einem Unterwasserbehälter verbindet, der die gesamte Elektronik zum Auslesen und Steuern der Phototubes sowie eine Hochspannungsstromversorgung enthält.“
Insgesamt werden 950 dieser Behälter benötigt, um die gesamte Fläche abzudecken. Sie werden in der Neutrino-Plattform am CERN im Rahmen einer europäischen Gemeinschaftsarbeit unter der Leitung von Davide Sgalaberna, Professor an der ETH Zürich, zusammengebaut und getestet. Das Team befindet sich am Ende der Ausschreibungsphase: Die restlichen Netzteile werden bis Dezember an das CERN geliefert, alle anderen Komponenten Anfang nächsten Jahres. Die nächsten Schritte sind der Aufbau einer Produktionskette für die Behälter, die Kalibrierung der Elektronik und die Durchführung verschiedener Tests, darunter Vibrationstests, ein Testlauf in einem Hochdruckwassertank und einjährige Stabilitätstests. „Wir gehen davon aus, dass wir in den nächsten Jahren ziemlich viel zu tun haben werden“, sagt Rubbia.
Der nagelneue Detektor Hyper-Kamiokande ist jedoch nicht das Einzige, was unter Schweizer Leitung steht. Die 600 Personen und 22 Länder umfassende Kollaboration hat einen ausgeklügelten Zeitplan ausgearbeitet, um jederzeit optimale Ergebnisse zu garantieren – und um alle auf Trab zu halten. Denn die riesige unterirdische Kaverne ist nur ein Ort, an dem geforscht wird - viel Physik findet auch in der Nähe des 250 Kilometer weiter östlich gelegenen Forschungszentrums J-PARC statt, wo der Neutrinostrahl auf die Reise geschickt und vom „Nahdetektor“ überprüft wird, bevor sich die Teilchen umwandeln können. Denn nur wenn man weiss, was hineingeht (dank des Nahdetektors), kann man überprüfen, was herauskommt (drüben im neuen Hyper-K „Ferndetektor“). Ein Teil des Nahdetektors wurde gerade für das laufende T2K-Experiment umgebaut (siehe) und wird beim Start von Hyper-K im Routinebetrieb sein. Die Schweizer Forschenden arbeiten nun an einem Konzept für die mögliche endgültige Modernisierung des Nahdetektors, so dass es für sie und ihre Studierenden immer etwas zu tun gibt.
„Dies ist einer der grossen Vorteile, wenn man an einem laufenden Experiment und einer nicht allzu grossen Kollaboration beteiligt ist“, sagt Federico Sanchez Nieto, Professor an der Universität Genf, ehemaliger Sprecher der T2K-Kollaboration und einer der Hauptakteure bei der aktuellen Modernisierung des Nahdetektors. "Als Student oder Studentin kann man an allen Phasen des Experiments mitarbeiten: Entwurf, Aufbau, Tests, Datenerfassung und -analyse. Das ist eine grossartige Ausbildung!" Rubbia ergänzt: "Wir freuen uns, diesen Beitrag leisten zu können. Ich erwarte von Hyper-Kamiokande einen grossen Durchbruch beim Verständnis der CP-Verletzung." Selbstverständlich werden wir Sie hier über den Zusammenbau und die Tests der Elektronik und andere Meilensteine des Projekts auf dem Laufenden halten.
Barbara Warmbein
