Von Nuggets zu Neutrinos

Das Lux-Zeplin-Experiment besteht im Kern aus einem Tank mit ultrareinem Xenon. Fliegt ein Wimp dort hinein und stößt mit einem Xenon-Atom zusammen, wird ein Lichtblitz ausgelöst, den rund um den Tank angeordnete, empfindliche Detektoren nachweisen. Sollten die Vorhersagen der Theoretiker stimmen, könnte Lux-Zeplin vielleicht ein bis zwei Dutzend solcher Ereignisse pro Jahr nachweisen. Damit wird auch klar, warum die Forscher ihr Experiment tief im Berg verstecken. Der darüber liegende Fels schirmt es gegen kosmische Strahlungsteilchen ab, die unablässig auf die Erdoberfläche treffen. Sie würden in dem Xenon-Tank ein Blitzlichtgewitter auslösen, in dem die sporadischen Wimp-Signale untergingen. Der Versuch, inmitten eines Sivesterfeuerwerks einen Leuchtkäfer aufzuspüren, wäre dagegen ein Kinderspiel.

Der Nobelpreis wäre sicher

Derzeit arbeiten 220 Physiker aus 36 Instituten am Aufbau von Lux-Zeplin, ab 2020 soll es arbeiten. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor in den Abruzzen läuft seit etwa einem Jahr ein ganz ähnliches Experiment namens Xenon1T, das derzeit als empfindlichster Detektor für Wimps gilt. Sollte eines der beiden Experimente oder beide irgendwann ihr Ziel erreichen, so wäre den Physikern der Nobelpreis sicher.

In einem anderen Labor des Davis Campus erfahren wir etwas über eine spezielle Art von radioaktivem Zerfall von Germanium-76, der Aufschluss über unbekannte Eigenschaften von Neutrinos liefern soll. Er könnte sogar ein Schlüssel zu der offenen Frage sein, warum es im Universum überhaupt Materie gibt und nicht nur Strahlung. Der sogenannte neutrinolose Doppelbeta-Zerfall von Germanium-76 ist, sofern es ihn überhaupt gibt, so selten, dass auch dessen Signal nicht in der kosmischen Strahlung untergehen darf.

Teilchen mit Tarnkappe

Das zukünftige Megaprojekt in der Homestake-Mine heißt LBNF-Dune. Es soll Neutrinos auffangen, die im 1300 Kilometer entfernten Beschleuniger des Fermilab in Chicago erzeugt und in Richtung Homestake-Mine geschossen werden. Auf ihrem Weg wechseln die Neutrinos ihre Art. Physiker sprechen von Neutrino-Oszillationen. Auch deren Untersuchung mit LBNF-Dune könnte uns der Frage nach der Existenz von Materie näherbringen. Unten im Bergwerk vermögen wir uns allerdings kaum vorzustellen, wie man die großen Bauteile des Experiments hier runterschaffen und aufbauen will.

Wieder an der Oberfläche genießen wir das Licht der Sonne, mit deren Neutrino-Strahlung die Forschung vor einem halben Jahrhundert in der Homestake-Mine begann.

Die Erklärung für das Defizit, das Davis damals gemessen hatte, waren übrigens die erwähnten Neutrino-Oszillationen. Im Innern der Sonne werden Elektron-Neutrinos frei. Auf dem Weg zur Erde wandelte sich jedes Dritte von ihnen in ein Müon-Neutrino um. Die konnte Davis aber nicht nachweisen, weswegen scheinbar 30 Prozent Neutrinos zu wenig ankamen. Die Teilchen hatten sich gewissermaßen eine Tarnkappe aufgesetzt und wurden unsichtbar. Die Natur macht es den Physikern oft nicht leicht.