Was ist dunkle Materie? Was hat es mit Neutrinos auf sich? Wie funktionieren Sterne und was geschah eigentlich in den ersten Minuten nach dem Urknall im Universum? Um diese Fragen zu beantworten, braucht man sehr empfindliche Detektoren und viel Geschick. Nur wenige Labore weltweit waren bisher in der Lage, derart empfindliche Messungen durchzuführen. Vor Kurzem wurde in Deutschland jedoch ein hochempfindlicher Detektor aufgebaut, mit dem Forscher künftig Antworten auf diese Fragen finden können.
Nach langer Entwicklungsarbeit haben Forscher des Instituts für Kern- und Teilchenphysik (Technische Universität Dresden) und des Instituts für Strahlenphysik (HZDR) den Aufbau nun im Untergrundlabor „Felsenkeller“ Dresden in Betrieb genommen.
Sie können fortan Proben von Stoffen und Materialien mit einer Radioaktivität im Bereich von 100 Mikrobecquerel analysieren, also Proben mit 100 Millionen Mal weniger Radioaktivität als im menschlichen Körper vorhanden ist. Damit gehört der Messaufbau im Felsenkeller-Labor zu den weltweit empfindlichsten Messgeräten für Radioaktivität.
„Wer seltene Prozesse und geringe Aktivitäten in der Physik studieren will, braucht im Grunde zwei Dinge: einerseits viel Geduld – denn die Prozesse finden selten statt – und andererseits ein möglichst energiearmes Umfeld Strahlung möglichst gering, damit der Detektor nicht dauerhaft durch natürliche Strahlungsquellen gestört wird“, erklärt Steffen Turkat, TUD-Mitarbeiter am Felsenkeller-Labor.
Dazu schützt die 45 Meter dicke Felsüberdeckung im Stollen des ehemaligen Eisspeichers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei den Detektor vor einem Großteil der kosmischen Strahlung, nicht aber vor natürlicher Radioaktivität aus der Umgebung. Daher mussten die Forscher den Detektor mit einem ausgeklügelten Aufbau aus strahlungsarmen Betonwänden, großen Mengen an Blei und Kupfer sowie sogenannten Veto-Detektoren schützen. Nur so kann dieser hochempfindliche Aufbau funktionieren und Kernübergänge aus wertvollen Proben auswerten.
„Besonders freue ich mich über die große Zahl ungeplanter Anfragen von interessierten Kollegen weltweit, die den Detektor nun gerne nutzen möchten. Bei diesen Anfragen handelt es sich schnell um äußerst wertvolle und seltene Proben, die wissenschaftlich sehr spannend sind, aber mit anderen Detektoren nicht analysiert werden können. Ein Detektor so entstehen automatisch neue Kooperationen und Netzwerke mit anderen spannenden Bereichen“, erklärt Steffen Turkat.
Prof. Kai Zuber von der Technischen Universität Dresden ist wissenschaftlicher Leiter des Felsenkeller-Labors und freut sich besonders darauf, seinen eigenen anspruchsvollen Forschungsinteressen in der Physik jenseits des Standardmodells nachgehen zu können: „Ich interessiere mich besonders für den doppelten Betazerfall und die Suche für Charged-Lepton-Verletzung. Außerdem liegt mein Fokus auf der Untersuchung der Halbwertszeiten von Radionukliden. Der neue Detektor am Felsenkeller ist dafür hervorragend geeignet.“
Auch Prof. Daniel Bemmerer, Technischer Direktor des Felsenkeller-Labors und Gruppenleiter für Nukleare Astrophysik am HZDR, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten, die der Detektor bietet: „Wir können jetzt Aktivierungsmessungen für Kernfusionsexperimente bei Energien durchführen, die viel näher an der tatsächlichen liegen Energien und Temperaturen in unserer Sonne als bisher möglich. Das schafft auch eine neue Synergie für den Felsenkeller-Beschleuniger.“
Neben dem neuen Detektor hat Deutschlands tiefstes unterirdisches Physiklabor bereits seit 2019 einen Ionenbeschleuniger in Betrieb, um die wichtigsten Prozesse im Inneren von Sternen zu untersuchen.
Informationen über den Detektor werden in der Zeitschrift veröffentlicht Astroteilchenphysik.
Mehr Informationen:
S. Turkat et al., Ein neuer Ultra-Low-Level-HPGe-Aktivitätszählaufbau im flachen unterirdischen Felsenkeller-Labor, Astroteilchenphysik (2023). DOI: 10.1016/j.astropartphys.2023.102816