• 19.12.2018
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James Sinclair konstruiert an der Universität Bern einen neuartigen Neutrino-Detektor

Ein Gerät, das flüchtige Gesellen aufspürt

Dr. James Sinclair kontrolliert auf vier Bildschirmen an der Universität Bern, ob das 7000 km entfernte MicroBooNE-Experiment am Fermilab störungsfrei abläuft.
Bild: B. Vogel,CHIPP, Switzerland
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Dr. James Sinclair kontrolliert auf vier Bildschirmen an der Universität Bern, ob das 7000 km entfernte MicroBooNE-Experiment am Fermilab störungsfrei abläuft.
Dr. James Sinclair kontrolliert auf vier Bildschirmen an der Universität Bern, ob das 7000 km entfernte MicroBooNE-Experiment am Fermilab störungsfrei abläuft. (Bild: B. Vogel,CHIPP, Switzerland)

Neutrinos sind elektrisch neutrale und sehr leichte Elementarteilchen, die nur schwach mit anderer Materie wechselwirken und daher nur schwer zu beobachten sind. Ab 2025 soll ein neues Neutrino-Experiment in den USA zu einem besseren Verständnis der Neutrinos beitragen. An der Universität Bern wird heute am Prototyp für einen Detektor gearbeitet, der bei dem Experiment zum Einsatz kommen soll.

Wir sind um 9 Uhr früh in Bern mit Dr. James Sinclair im Albert Einstein Center for Fundamental Physics' (AEC) verabredet. Das AEC ist in einem funktionalen Bau unmittelbar neben dem Hauptgebäude der Universität Bern untergebracht. James Sinclair sitzt in einem Büroraum an einem Schreibtisch, vor sich vier Bildschirme. Was dort abläuft, ist sehr weit weg von der Universität Bern. Über die Screens flimmern die Daten eines Experiments, das 7000 km entfernt am Fermilab läuft. Das Fermi National Laboratory, kurz Fermilab, ist eine der führenden Forschungseinrichtungen für Teilchenphysik weltweit mit Sitz in der Nähe von Chicago. Dort läuft gegenwärtig das MicroBooNE-Experiment, und James Sinclair fällt heute die Aufgabe zu, in einer Acht-Stunden-Schicht von Bern aus zu verfolgen, dass das Experiment störungsfrei abläuft.

„Am Fermilab ist es zur Zeit 20 nach 3 in der Nacht“, sagt der 32-jährige Teilchenphysiker, der aus Malvern (Grossbritannien) stammt und an der Universität von Sussex promoviert hat. „Ich überwache von hier aus verschiedene Subsysteme des Experiments – hier elektrische Felder, da das Kühlsystem und dort die eingehende kosmische Strahlung. Wenn bei dem Experiment etwas schief gehen sollte, würde ich einen Experten am Fermilab, am MIT in Boston oder hier in Bern kontaktieren; diese würden dann das Nötige in die Wege leiten, um das Experiment wieder auf Kurs zu bringen“, sagt Sinclair. Bern ist eines von vier Kontrollzentren, neben Manchester, Cambridge und Virginia, von denen Wissenschaftler das MicroBooNE-Experiment rund um die Uhr überwachen. Das geht ganz ohne Nachtschichten, da Forscher aus verschiedenen Zeitzonen involviert sind.

Von MicroBooNE zu DUNE

MicroBooNE (kurz für: Micro Booster Neutrino Experiment) wurde unter der wissenschaftlichen Leitung von Michele Weber, Teilchenphysik-Professor an der Universität Bern, aufgebaut und ist seit 2015 in Betrieb. Herzstück ist die Spurendriftkammer auf der Grundlage von Flüssigargon

(engl. 'Liquid Argon Time Projection Chamber'), ein Detektor für Elementarteilchen. Die Spurendriftkammer ist ein Tank, gefüllt mit flüssigem, auf -200 °C heruntergekühltem Argon. Mit dem flüssigen Edelgas werden die Neutrinos beobachtet und analysiert, die in einer 500 Meter entfernten Neutrinoquelle produziert werden. Die Forscher wollen mit dem Experiment unter anderem herausfinden, ob neben den drei bekannten Neutrinos – Tau-Neutrino, Myon-Neutrino, Elektron-Neutrino – noch ein vierter Typ besteht. Diesen mutmasslichen vierten Typ bezeichnen Physiker als 'steriles Neutrino'. Der Begriff 'steril' rührt daher, dass dieses bisher hypothetische Elementarteilchen nicht auf dieselbe Art mit Materie wechselwirkt wie die drei bekannten Neutrinos. An dem Experiment sind 120 Physikerinnen und Physiker aus den USA, Grossbritannien, Italien, Russland und der Schweiz beteiligt.

Die Forscher der Universität Bern verfügen über grosse Erfahrung in der Detektortechnologie, die auf dem flüssigen Edelgas Argon beruht. Dieses Wissen bringen sie nun in ein neues Neutrino-Experiment ein, das ab 2025 unter dem Namen DUNE (für: Deep Underground Neutrino Experiment) den Betrieb aufnehmen soll. DUNE wird ebenfalls am Fermilab gebaut. Von hier aus wird ein Neutrino-Strahl mit hoher Energie (erzeugt mit einem 2 MW starken Protonenbeschleuniger) auf eine 1300 km lange Reise durch die Erde geschickt, bevor er im Sanford Underground Research Laboratory in South Dakota auf einen Detektor trifft. Für die Physiker ist von besonderem Interesse, wie sich die Neutrinos auf ihrer Reise von einem Typ (flavor) in einen anderen verwandeln. Damit sie dies feststellen können, wird der Neutrino-Strahl am Anfang und am Schluss der Reise analysiert, und die Messergebnisse werden dann miteinander verglichen. DUNE besteht im Wesentlichen aus dem sogenannten 'Nah-Detektor' am Fermilab und dem 1300 km entfernten 'Fern-Detektor' in South Dakota in der Sanford Underground Research Facility (SURF).

Grosse Fragen der Neutrino-Forschung

Das DUNE-Experiment soll ein vertieftes Verständnis der immer noch unzureichend verstandenen Neutrinos ermöglichen. Ziel ist unter anderem eine präzisere Messung der Parameter der Neutrinooszillation; so wird die Vermischung der drei bisher bekannten Neutrino-Arten spezifiziert. Aus dem Experiment erhoffen sich die Physiker auch Antworten auf grosse ungelöste Fragen der modernen Physik: Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie? Lassen sich die vier bekannten Kräfte, die zwischen Elementarteilchen wirken, auf eine gemeinsame Grundkraft zurückführen? Was führt zur Entstehung von Schwarzen Löchern?

Der Fern-Detektor von DUNE ist gleich aufgebaut wie der oben erwähnte Argon-Detektor des MicoBooNE-Experiments. Der Detektor beruht auf der bewährten, massgeblich an der Universität Bern entwickelten Argon-Technologie, hat allerdings 400 mal mehr Volumen als der MicroBooNE-Detektor. Eine grosse Herausforderung stellt der Nah-Detektor des DUNE-Experiments dar. “Der Nahdetektor soll sieben Mal mehr Neutrino-Ereignisse als der Nah-Detektor von MicroBooNE aufzeichnen können”, skizziert James Sinclair die Anforderung. “Bis Ende 2019 soll das Konzept für den Nah-Detektor stehen. Anschliessend wollen wir an der Universität Bern einen Prototypen bauen. Ab 2026 wird dann mit dem Bau das Nah-Detektors am DUNE-Experiment begonnen werden. Das heisst, das Experiment wird Schritt für Schritt in Betrieb gehen und in der ersten Phase noch ohne Nah-Detektor arbeiten.”

Zwei Neuerungen

„Die Hauptfunktion dieses Detekotrs ist die Charakterisierung des Neutrino-Strahls in seinem Ausgangszustand, wenn er seine 1'300-Kilometer-Reise antritt. Dies ist erforderlich, um die Signale, die der Fern-Detekotr empfängt, besser zu verstehen und so den potenziellen Erkenntnisse des DUNE-Experiments zu den Neutrinooszillationen zu maximieren“, heisst es auf der Webseite der DUNE-Kollaboration. „Zusätzlich wird der Nah-Detektor eine breites Programm von Teilchenphysik-Messungen unabhängig vom Fern-Detektor ermöglichen und so die Datengrundlage für viele Doktorarbeiten liefern.“

Der Aufbau des Nah-Detektors steht bislang noch nicht endgültig fest. Aber James Sinclair und seine Wissenschaftlerkollegen haben bereits eine sehr konkrete Vorstellung, wie sie den Nahdetektor im Vergleich zum MicroBooNE-Detektor schneller machen können: „Um die 'Flüssigargon-Spurendriftkammer' robust zu machen für die hohen Raten des DUNE-Nahdetektors, schlagen wir zwei Hauptanpassungen vor“, sagt Sinclair. Erstens wird das Flüssigargon-Detektionsvolumen in eine Anzahl von kleinen, unabhängigen Spurendriftkammern unterteilt. Zweitens schlagen wir vor, das das traditionelle Auslesewerkzeug, das aus mehreren Drahtebenen besteht, durch ein Analysetool auf der Grundlage von Pixeln zu ersetzen. „Die zweite Anpassung ist der grösste Fortschritt, seit der US-amerikanische Physiker David Nygren die 'Flüssigargon-Spurendriftkammer' in den frühen 1970er Jahren erfunden hat“, sagt James Sinclair.

Autor: Benedikt Vogel

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