Als Kind haben Sie vielleicht versucht, ein Loch in Ihrem Hinterhof zu graben, um nach China zu gelangen. Offensichtlich ist das nicht passiert. Aber viel Boden auszugraben kann durchaus produktiv sein. Anstatt ein anderes Land zu erreichen, müssen die Wissenschaftler, Ingenieure und Bauarbeiter auf dem LBNF-DUNE-Projekt grub Gestein aus, um bahnbrechende Wissenschaft zu ermöglichen.
Genauer gesagt haben sie 800.000 Tonnen Gestein aus der Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota, ausgegraben. Diese Ausgrabung ist ein wichtiger Schritt vorwärts in einem mehrjährigen Prozess zum Aufbau des bisher größten, fortschrittlichsten und umfassendsten Projekts zur Erforschung von Neutrinos.
Die von ihnen ausgegrabenen Höhlen werden einen riesigen Teilchendetektor und die dazugehörige Ausrüstung beherbergen. Zusammen mit Partnern aus mehr als 35 Ländern unterstützt das Office of Science des Energieministeriums das Deep Underground Neutrino Experiment an der Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF-DUNE), um zur Beantwortung einiger der größten Fragen der Physik beizutragen.
Geheimnisvolle Teilchen
Neutrinos sind subatomare Teilchen, die so klein sind, dass ihr Name auf Italienisch „Kleiner Neutraler“ bedeutet. Vor fast 100 Jahren stellten Physiker die Theorie auf, dass Neutrinos existierten, als bei bestimmten Wechselwirkungen zwischen Teilchen Energie zu „fehlen“ schien. 1956 entdeckten Wissenschaftler erstmals Neutrinos. Seitdem überraschen Neutrinos Wissenschaftler immer wieder.
Eine der größten Überraschungen war die Tatsache, dass Neutrinos Masse haben. Für die meisten Objekte ist die Masse eine Selbstverständlichkeit. Aber gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik – unserem derzeit besten Modell zur Beschreibung des Universums – sollten Neutrinos keine Masse haben. Physiker versuchen immer noch herauszufinden, was ihre Masse ist und wie sie überhaupt Masse haben.
Die andere große Überraschung war, dass es drei verschiedene Arten von Neutrinos gibt und die Teilchen auf ihrer Reise zwischen den Typen wechseln. Tatsächlich ist diese Transformation einer der Hauptgründe, warum sich Physiker so für sie interessieren. Wissenschaftler glauben, dass diese Eigenschaft der Schlüssel zur Beantwortung einer großen Frage in der Physik sein könnte: Warum gibt es etwas und nicht nichts?
Unerklärte Physik
Wie das Verhalten von Neutrinos zeigt, erklärt das Standardmodell der Teilchenphysik einige wichtige Aspekte unseres Universums nicht ganz. Einer davon ist die Tatsache, dass es mehr Materie als Antimaterie gibt. Nach unserem heutigen Verständnis hätte es unmittelbar nach dem Urknall gleich große Mengen an Materie und Antimaterie geben müssen. (Antimaterie-Teilchen sind mit ihren gewöhnlichen Materiepartnern identisch, außer dass sie eine entgegengesetzte Ladung haben.)
Doch wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, vernichten sie sich gegenseitig. Irgendwo in den unvorstellbar kurzen Momenten der Anfänge des Universums muss es also ein kleines bisschen gewöhnlichere Materie gegeben haben. Diese winzige Menge, die nach der Materie-Antimaterie-Wechselwirkung übrig blieb, führte zu allem anderen im Universum.
Wissenschaftler haben viele Theorien, um dieses Ungleichgewicht zu erklären. Eine Möglichkeit besteht darin, dass es mit Neutrinos und ihren Antimaterie-Partnern zusammenhängt.
Um zu untersuchen, wie Neutrinos während ihrer Reise ihren Typ ändern, wird LBNF-DUNE einen Strom von Neutrinos vom Fermilab National Accelerator Laboratory des DOE in Illinois nach South Dakota schicken. Zu Beginn und am Ende der Teilchenreise werden Detektoren die Arten von Neutrinos und Antineutrinos messen. Durch den Vergleich der Geschwindigkeiten, mit denen beide Teilchen ihren Typ ändern, könnten Wissenschaftler einen Unterschied finden, der diese uralte Fehlausrichtung erklärt.
LBNF-DUNE wird auch Einblicke in andere wichtige Fragen der Physik geben. Wenn manche Sterne das Ende ihres Lebens erreichen, explodieren sie. Wenn das passiert, sind Neutrinos die ersten Teilchen, die sie freisetzen. Im weiteren Verlauf des Prozesses bilden diese explodierenden Sterne (Supernovae) Elemente, darunter lebenswichtige Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Durch den Nachweis von Neutrinos aus diesen Ereignissen könnte LBNF-DUNE es Wissenschaftlern ermöglichen, Supernovae auf frischer Tat zu fangen.
Die Detektoren von DUNE sind auch für die Erkennung anderer Partikel konzipiert. Soweit wir wissen, sind Protonen die einzigen zusammengesetzten Teilchen – Teilchen aus anderen Teilchenarten –, die in der Natur nicht zerfallen. Es ist nicht klar, ob Protonen überhaupt nicht zerfallen oder ob dies so selten vorkommt, dass Wissenschaftler es noch nie entdeckt haben.
Wenn Protonen zerfallen, könnte dieser Prozess einen Hinweis darauf geben, ob es jemals eine einzige fundamentale Kraft gab oder ob die vier, die wir heute haben, seit dem Urknall existierten. Es könnte auch darauf hinweisen, ob das Universum für immer weiterbestehen wird oder einen Endpunkt hat. Wenn dieser Prozess vorhanden ist, ist LBNF/DUNE darauf ausgelegt, ihn potenziell zu erkennen.
Einen Geist einfangen
Einige der Dinge, die Neutrinos so faszinierend machen, erschweren auch ihre Untersuchung. Einer der auffälligsten Aspekte von Neutrinos ist, dass sie fast keine Wechselwirkungen mit anderen Teilchen haben. Dadurch können sie weite Strecken durch den Weltraum zurücklegen, ohne von kosmischen Objekten beeinflusst zu werden. Das bedeutet auch, dass sie sehr schwer zu erkennen sind.
Um dieses Problem zu lösen, wird LBNF-DUNE riesige, sieben Stockwerke hohe Detektoren einsetzen. Jeder Detektor wird 17.000 Tonnen flüssiges Argon enthalten. Diese große Flüssigkeitsmenge maximiert die Wahrscheinlichkeit, dass Wissenschaftler so viele Neutrinos wie möglich entdecken. Der ferne Detektor – der in South Dakota – wird etwa eine Meile unter der Erde liegen. Dieser Abstand platziert ihn im Vergleich zu Fermilab an der richtigen Stelle und blockiert den Detektor von anderen kosmischen Teilchen.
Allein die Ausgrabung dauerte drei Jahre. Das Team musste die Ausrüstung zerlegen, tief unter die Erde transportieren und dann wieder zusammenbauen. Beim Ausheben der Kavernen beförderte das Team 800.000 Tonnen Gestein an die Oberfläche und lagerte es in einem Gebiet ab, das früher eine Mine gewesen war.
Nachdem die Ausgrabung nun abgeschlossen ist, geht das LBNF-DUNE-Team zu den nächsten Schritten über. Derzeit wird der Ferndetektor in der Sanford Underground Research Facility installiert. Sie gehen davon aus, dass die Bauarbeiten abgeschlossen sein und der Detektor im Jahr 2028 in Betrieb genommen werden kann. Anschließend wird das Team mit der Installation des Nahdetektors im Fermilab fortfahren.
Der Start von LBNF/DUNE wird der Beginn einer neuen Ära im Verständnis von Neutrinos und im Wissen über unser Universum als Ganzes sein.