Grundlegenden Kräften des Universums auf der Spur - Vakuum-Technologie bei der Erforschung des Universums

Grundlegenden Kräften des Universums auf der Spur - Vakuum-Technologie bei der Erforschung des Universums

2.100 Meter unter der Erde suchen die Physiker von SNOLAB nach Grundbausteinen des Universums, die besonders winzig und schwer zu fassen sind: den Neutrinos.
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Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum rasen. Da sie keine Ladung besitzen, interagieren sie kaum mit Materie und können diese beinahe ungehindert durchdringen. So legen sie lange Distanzen zurück und gelangen aus weit entfernten Galaxien bis zur Erde. Ihr flüchtiger Charakter macht es aber besonders schwierig, sie zu erforschen.

Nachweis durch Lichtblitze

Um die winzigen Elementarteilchen zu erwischen, haben sich die Forscher in den Untergrund begeben. Das Physiklabor SNOLAB ist in einer Nickelmiene im kanadischen Sudbury (Ontario) untergebracht. Dort stehen für den Neutrinonachweis 5.000 Quadratmeter Reinraumfläche zur Verfügung, eine 2.100 Meter dicke Gesteinsschicht schirmt das Labor gegen kosmische Strahlung ab – nur Neutrinos können sie durchdringen. Kernstück der Anlage ist der Neutrinodetektor, der aus einem kugelförmigen Acryltank mit einem Durchmesser von zwölf Metern besteht.

Für die Experimente, die zurzeit unter dem Namen SNO+ anlaufen, wird dieser Tank mit 800 Tonnen einer Flüssigkeit gefüllt, die aus dem Kohlenwasserstoff Lineares Alkylbenzol (LAB) besteht. Diese Flüssigkeit sendet UV-Licht aus, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt wird. Das UV-Licht regt seinerseits einen in der Flüssigkeit gelösten Farbstoff an, der daraufhin blau fluoresziert. Neutrinos, die beim Durchqueren der Flüssigkeit nahe genug an ihre Atomkerne herankommen, um mit ihnen in Wechselwirkung zu treten, erzeugen so kleine Lichtblitze. Diese werden von hochempfindlichen Sensoren erfasst, die den Tank umgeben.

Damit der Nachweis der subatomaren Teilchen gelingen kann, muss das LAB von allen unerwünschten Inhaltsstoffen befreit werden. Das geschieht unter Vakuum. Mit Hilfe von Vakuumpumpen wird im Reinigungssystem ein Unterdruck von 20 Millibar erzeugt. Bei einer Temperatur von 238 Grad werden in einem mehrstufigen Destillationsprozess selbst kleinste Spuren von Schwermetallen aus der Flüssigkeit entfernt. Anschließend werden – ebenfalls bei Unterdruck – Wasserdampf und Stickstoff in einer sogenannten Stripper-Kolonne durch die Flüssigkeit geleitet, um die Gase Radon, Krypton, Argon und Sauerstoff auszutreiben und den Wassergehalt der Flüssigkeit zu regulieren. Für die sichere Rückgewinnung der Dämpfe sorgen Kondensatoren an den Abluftöffnungen der Vakuumpumpen. Dort werden die Abgase aus dem Reinigungsprozess gekühlt, verflüssigt und in Auffangbehältern gesammelt.

Nobelpreis für Neutrinoforschung

In den neuen SNO+-Experimenten ersetzt das LAB das Schwerwasser, mit dem der Tank beim ursprünglichen SNO-Projekt gefüllt war. Für diese ersten Untersuchungen hat der Leiter des SNO-Experiments, Arthur McDonald, 2015 den Physik-Nobelpreis erhalten. Zwischen 1999 und 2006 hatte er mit dem schweren Wasser Neutrinos untersucht, die in der Sonne durch Kernfusion entstanden sind. Die Messergebnisse entsprachen jedoch nicht der Vorhersage des Standardmodells der Physik, das bis dahin von masselosen Neutrinos ausgegangen war.

Stattdessen ließen sich die festgestellten Abweichungen mit der davon abweichenden Theorie der sogenannten Neutrino-Oszillation erklären: Die drei verschiedenen Arten von Neutrinos (Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos), können sich ineinander umwandeln. Das geht aber nur, wenn sie eine – wenn auch extrem geringe – Masse besitzen.

Gegenüber dem ursprünglichen Experiment mit schwerem Wasser erzeugt die Interaktion von Neutrinos mit dem LAB ein Vielfaches an Lichtemission. Hauptziel der neuen Untersuchungen ist es, den – bislang umstrittenen – Prozess des sogenannten neutrinolosen doppelten Beta-Zerfalls nachzuweisen. Mit dem flüssigen LAB können zudem auch Proton-Elektron-Proton (PEP)-Solarneutrinos untersucht werden. Ebenso ist die Detektion von Geo-Neutrinos aus radioaktiven Zerfallsprozessen in der Erde sowie von Reaktor-Neutrinos aus Kernspaltungsreaktionen geplant. Auch Supernova-Neutrinos könnten nachgewiesen werden – vorausgesetzt, zum passenden Zeitpunkt findet eine Supernova in unserer Galaxie statt. Mit ihren Messungen wollen die Astroforscher den Neutrinos weitere Informationen über die grundlegenden Kräfte des Universums entlocken.

Seit 2012 verwendet Snolab Vakuumtechnik von Busch.


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