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Detektor-Know-how für das tiefste Untergrundlabor der Welt

Viele Experimente der Astroteilchenphysik müssen vor Strahlung geschützt werden. Deswegen befinden sie sich häufig tief unter der Erdoberfläche. Für ein neues Untergrundlabor in China haben das Max-Planck-Institut für Physik und die Tsinghua Universität in Peking gemeinsam wissenschaftliche Konzepte entwickelt und geprüft. Die Ergebnisse der dreijährigen Kooperation diskutieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom 18. bis 24. Oktober 2015 auf einem Symposium.

Das tiefste Untergrundlabor der Welt entsteht in einem Versorgungstunnel für den Jinping-Staudamm. (Foto: CJPL)

Abermilliarden von Teilchen aus dem Kosmos treffen jede Sekunde auf die Erde. Warum wir davon nichts bemerken? Die meisten Teilchen gehen ungehindert durch Materie hindurch und hinterlassen keine Spuren.

Allerdings stört der kosmische Dauerregen bei vielen Experimenten. Zum Beispiel, wenn Physiker nach bisher unbekannten Teilchen suchen – etwa nach dunkler Materie, die im Universum fünfmal häufiger vorkommt als sichtbare Materie. Oder beim Aufspüren von sehr seltenen Teilchenzerfällen: Wenn man sie findet, könnte man vielleicht erklären, warum es im Universum zwar Materie, aber kaum Antimaterie gibt.

Sensible Instrumente – gut abgeschirmt im Untergrund

„In der Astroteilchenphysik suchen wir nach seltenen Teilchen beziehungsweise Ereignissen, die wir von den Untergrundereignissen der kosmischen Strahlung unterscheiden müssen“, erklärt Dr. Iris Abt vom Max-Planck-Institut für Physik.

In ihren Versuchen arbeiten die Wissenschaftler mit Detektoren, die diese Unterscheidung erlauben. Um den Untergrund zu reduzieren, führen sie die Experimente zusätzlich tief unter der Erde durch, zum Beispiel in Bergmassiven oder Minen.

Germanium-Detektoren für das Jinping-Labor

Das größte Untergrundlabor befindet sich im Gran Sasso-Massiv in Mittelitalien – noch: Denn mit dem CJPL (China Jinping Underground Laboratory) entsteht ein Labor, das alle Rekorde bricht: In der Nähe des Jinping-Staudamms im Südwesten Chinas werden acht 64 Meter lange Experimentierhallen gebaut, die 2.400 Meter unter der Erdoberfläche liegen. Das neue Labor ist damit nicht nur das größte seiner Art, sondern auch das am besten abgeschirmte.

Seit drei Jahren arbeiten das MPI für Physik und die Tsinghua Universität in Peking zusammen, um neuartige Germaniumdetektoren für das Jinping-Labor zu entwickeln. Der Halbleiter Germanium ist aus zwei Gründen besonders geeignet.

„Mit hochreinen Germaniumdetektoren können wir zum einen nach Signalen von dunkler Materie suchen“, erläutert Iris Abt. „Zum anderen ist ein Isotop des Germaniums, 76Ge, ein Kandidat für den theoretisch möglichen, aber äußerst seltenen neutrinolosen doppelten Betazerfall.“ Wenn es diesen Zerfall gibt, wäre nachgewiesen, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind – ein wichtiger Schritt, um den Materieüberschuss im Universum zu verstehen.

Interkultureller Austausch

In der dreijährigen Zusammenarbeit führten die Wissenschaftler erfolgreiche Tests mit neuartigen Detektoren durch. Vom 18. bis zum 24. Oktober findet auf Schloss Ringberg am Tegernsee das Abschluss-Symposium dieser Kooperation statt, an der auch die Universität Tübingen und die Shanghai Jiatong Universität beteiligt waren. Unterstützt wurde das Vorhaben vom Deutsch-Chinesischen Zentrum für Wissenschaftsförderung in Peking.

Neben den rein wissenschaftlichen Fortschritten freut sich Iris Abt auch über den interkulturellen Austausch: „Die gemeinsame Arbeit hat zum besseren Verständnis der jeweiligen Kulturen beigetragen. Die Grundlagenforschung zeigt, dass weltweite Zusammenarbeit funktionieren kann. Wir hoffen, dass sie als Vorbild für andere Bereiche dienen kann."

 

Kontakt:
Dr. Iris Abt
Max-Planck-Institut für Physik
+49 89 32354-295
isa@mpp.mpg.de