• 24.09.2019
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Callum Wilkinson bereitet an der Uni Bern das DUNE-Experiment vor

Eine Falle für die Geisterteilchen

Blick in die Experimentierhalle der Hochenergiephysik an der Universität Bern: Callum Wilkinson steht neber dem Kryostaten (Kälteeinheit), der für die Test vier Kuben der späteren Zeitprojektionskammer des DUNE-Nahdetektors aufnimmt.
Bild: Foto: B. Vogel CHIPP, Switzerland
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Blick in die Experimentierhalle der Hochenergiephysik an der Universität Bern: Callum Wilkinson steht neber dem Kryostaten (Kälteeinheit), der für die Test vier Kuben der späteren Zeitprojektionskammer des DUNE-Nahdetektors aufnimmt.
Blick in die Experimentierhalle der Hochenergiephysik an der Universität Bern: Callum Wilkinson steht neber dem Kryostaten (Kälteeinheit), der für die Test vier Kuben der späteren Zeitprojektionskammer des DUNE-Nahdetektors aufnimmt. (Bild: Foto: B. Vogel CHIPP, Switzerland)

2025 wird im Norden der USA das ‘Deep Underground Neutrino Experiment’ (DUNE) starten, mit dem Physiker mehr über das Neutrino – ein noch immer rätselhaftes Elementarteilchen – erfahren wollen. Eine wichtige Komponente des DUNE-Experiments wird zur Zeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Univerität Bern vorbereitet.

Wenn Physiker heute in neues Experiment aufbauen, ist das in der Regel ein langer Weg. Oft sind an einem solchen wissenschaftlichen Vorhaben Hunderte, ja Tausende Wissenschaftler und Techniker beteiligt. Von der Konzeption über F&E sowie Aufbau des Detektors bis hin zu Einbau und Inbetriebnahme sind viele Fragen physikalischer, aber auch technischer, organisatorischer und finanzieller Natur zu klären. So ist das auch im Fall des DUNE-Experiments. Im Sommer 2019 war wieder ein Meilenstein geschafft für das Experiment, dessen Wurzeln Jahre zurückreichen und das voraussichtlich 2025 in Betrieb gehen wird: Der ‘Technical Design Report’ (TDR) war fertig. Der TDR ist ein umfangreiches Dokument, das beschreibt, wie die technischen Fragen bei Aufbau und Betrieb des Experiments gelöst werden. Der Report zeigt damit auch auf, auf welchem Weg das DUNE-Experiment sein wissenschaftliches Ziel, das Neutrino genauer zu beschreiben, erreichen will.

Neutrinos auf einer 1300 km langen Reise

Das Neutrino wurde in den frühen 1930er Jahren von Wolfgang Pauli postuliert und erst 1956 – 26 Jahre später – experimentell nachgewiesen. Erst seit rund zwei Jahrzehnten weiss man, dass das Teilchen, das in drei Arten (‘Myon-Neutrino’, ‘Elektron-Neutrino’, ‘Tau-Neutrino’) existiert, sich von einer Art in eine andere umwandeln kann. Wissenschaftler bezeichnen diese Umwandlung als ‘Oszillation’. Mit dem DUNE-Experiment wird sich die Oszillation vom Myon-Neutrinos zu Elektron-Neutrinos sowie die Oszillation vom Anti-Myon-Neutrinos zum Anti-Elektron-Neutrinos präzise messen lassen. Die beiden Oszillationen wurde zwar schon früher beobachtet, doch mit DUNE wird diese Beobachtung noch präziser werden. Mehr noch: Das DUNE-Experiment will testen, ob sich die beiden Arten von Oszillationen mit unterschiedlich grossen Wahrscheinlichkeiten ereignen. Sollte eine solche Ungleichheit bestehen, könnten daraus fundamental neue Erklärungsansätze zur Enstehung des Universums hervorgehen, und es wäre ein Hinweis, warum es im Universum diesen Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie gibt.

Das DUNE-Experiment entsteht zur Zeit im Norden der USA in einer ehemaligen Mine. Im ‘Fermi National Laboratory’ (Fermilab) bei Chicago richten Physiker einen hochenergetischen Protonenstrahl auf ein Target aus Graphit, wobei Pionen entstehen, die dann in Myonen und Neutrinos zerfallen. Diese Neutrinos schicken schicken sie durch die Erdkruste ins 1300 km entfernte ‘Sanford Underground Research Laboratory’ in South Dakota. Da die Neutrinos praktisch nicht mit Materie wechselwirken, können sie das Erdreich weitgehend ungestört durchdringen. Am Zielort fangen die Forscher einen geringen Teil der Neutrinos mit dem sogenannten Ferndetektor auf. Sie können dann ermitteln, welche Veränderungen die Neutrinos auf ihrer Reise durchgemacht haben.

Argon stoppt die flüchtigen Gesellen

Wie an allen Grossexperimenten in der modernen Elementarteilchenphysik sind am DUNE-Experiment Forscher aus zahlreichen Ländern und Universitäten beteiligt. Aus der Schweiz sind das neben der ETH Züruch, der Universität Basel und de CERN die Universität Bern. Dort arbeitet ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Antonio Ereditato und unterstützt von Prof. Michele Weber an DUNE. Die Berner Wissenschaflter bauen am sogenannten Nahdetektor mit. Mit dem Nahdetektor wird am Ausgangspunkt des Neutrino-Strahls – also am Fermilab – dessen Reinheit ermittelt. Reinheit bedeutet: Der Strahl aus Myon-Neutrinos und Anti-Myon-Neutrinos soll am Ausgangspunkt möglichst wenig Elekton-Neutrinos bzw. Anti-Elektro-Neutrinos enthalten. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Präzision aller Neutrino-Messungen.

“Unser zentraler Beitrag ist der Flüssig-Argon-Teil des Nahdetektors, in diesem Bereich verfügt Bern über eine langjährige Expertise”, sagt Dr. Callum Wilkinson, Postdoc in Antonio Ereditatos Forscherteam. Wenn die Sprache auf Argon kommt, wird es für Neutrinophysiker spannend: In dem Edelgas bleibt von den Neutrinos, die nur selten mit Materie wechselwirken, das eine oder andere Teilchen “hängen”, weil Argon eine relativ hohe Dichte hat. Argon wird daher seit langem für den Nachweis von Neutrinos genutzt. Im Fall des DUNE-Nahdetektors wird ein mit verflüssigtem Argon gefüllter Tank eingesetzt werden, fünf Meter lang, sieben Meter breit und drei Meter hoch. Dass die Teilchen zuverlässig entdeckt werden, wenn sie innerhalb des Tank wechselwirken, daran arbeitet Callum Wilkinson mit seinen Berner Kolleginnen und Kollegen.

Von T2K zu DUNE

Callum Wilkinson (29) stammt aus England. Aufgewachsen ist er in Stratford-upon-Avon, der Geburtsstadt von William Shakespeare. Wie Shakespeare interessierte sich Wilkinson bald für grosse Fragen. Er studierte am renommierten King’s College in London Physik und Philosophie. Für die Doktorarbeit wechselte er 2011 an die Universität Sheffield und arbeitete in der britischen Forschungsgruppe des T2K-Experiments mit, mit dem in Japan Neutrinos erforscht werden. Nach der Doktorarbeit wechselte der Brite 2015 an die Universität Bern, wo ebenfalls eine T2K-Forschungsgruppe arbeitete. Bald sollte der Neutrino-Experte zusätzlich beim Aufbau des DUNE-Experiments mitwirken.

Jetzt steht Callum Wilkinson in der grossen Experimentierhalle des Berner Physikinstituts. In der Mitte des Raums führt eine Leiter hinunter in einen Metalbehälter, den man im ersten Moment für eine Tauchglocke halten könnte. “Wir haben einen unserer Kuben fast in Originalgrösse gebaut und testen ihn nun da unten”, sagt Wilkinson. Diese Test finden seit August 2019 statt. Bis im Sommer 2020 müssen die Arbeiten abgeschlossen sein. Dann nämlich werden die Komponenten in die USA verschifft und später ins DUNE-Experiment eingebaut.

35 kleinere Kuben anstelle eines grossen Tanks

Der Kubus, von dem Callum Wilkinson spricht, ist 3 Kubikmeter (1 m x 1 m x 3 m) gross und Teil des DUNE-Nahdetektors. Zwanzig dieser Kuben werden für den Detektor benötigt. Zusammen bilden sie eine ‘Zeitprojektionskammer’, das Herzstück des Nahdetektors. Die Zeitprojektionskammer ist vereinfacht ausgedrückt ein mit flüssigem Argon gefüllter Tank, in dem ein elektrisches Feld herrscht. Trifft ein Neutrino in diesem Tank auf ein Argon-Atom, werden Elektronen aus dessen Hüllen geschlagen – dadurch entsteht ein Strom aus (positiv geladenen) Argon-Isotopen und ein Strom aus (negativ geladenen) Elektronen. Im elektrischen Feld bewegen sich die Elektronen zur Anode und die Argon-Isotope zur Kathode. Mit der Zeitprojektionskammer ist es möglich, die Spuren der Elektronen zu bestimmen – und auf diesem Umweg die (sehr seltenen) Neutrino-Argon-Kollisionen nachzuweisen.

Dieses Verfahren wird im Fern- wie im Nahdetektor des DUNE-Experiments für den Nachweis der Neutrinos herangezogen. Damit dies möglichst akkurat gelingt, müssen die Wissenschaftler die Elektronenspuren sehr zuverlässig und genau bestimmen. Für den Nahdetektor haben die Wissenschaftler der Universität Bern ein neues Design der Zeitprojektionskammer entwickelt. Die Grundidee besteht darin, die grosse Zeitprojektionskammer in 35 kleine Würfel von 3 Kubikmetern Grösse zu unterteilen. Jeder dieser sogenannten ‘Kuben’ hat ein eigenes elektrisches Feld (genau genommen sogar zwei, da die Kathode in der Mitte von zwei Anoden platziert wird). Mit dieser Anordnung lassen sich die Elektronenspuren genauer bestimmen, und der Detektor wird erst noch robuster. Mit den Nahdetektor des DUNE-Experiments werden voraussichtlich 30 Millionen Neutrino-Events pro Jahr erfasst werden, also rund eine Neutrino-Kollision pro Stunde.

Auslesechip mit Pixeln

Zeitprojektionskammern gibt es seit den 1970er Jahren. Die Aufteilung der grossen Kammern in kleinere Kuben und deren Betrieb ist eine wichtige Fortentwicklung dieses physikalischen Forschungsinstruments. Das ist nicht die einzige Neuerung, die im Nahdetektor des DUNE-Experiments zum Einsatz kommt. Neu werden die an der Anode eingehenden Elektronen nicht mehr mit einem Drahtgeflecht dingfest gemacht, sondern mit einem auf Pixeln beruhenden Auslesechip, der am Lawrence Berkely National Laboratory in den USA entwickelt wurde. Dank des neuen Designs lässt sich – über Lichtblitze – auch der Weg der Elektronen besser erfassen. «Bern leistet mit der Fortentwicklung der Flüssigargon-Zeitprojektionskammer einen wichtigen Beitrag für eine erhöhte Präzision der Neutrino-Messungen innerhalb des DUNE-Experiments», sagt Callum Wilkinson.

Mehr Infos zum DUNE-Experiment: www.dunescience.org

Mehr Infos zur Hochenergiephysik an der Universität Bern: www.lhep.unibe.ch

Autor: Benedikt Vogel

The Science of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

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