DUNE: Neutrinos 1.300 Kilometer durch die Erde schießen

Ein Strahl, zwei Detektoren, 1.300 Kilometer auseinander

DUNE ist kein einzelnes Instrument, sondern ein System aus drei Teilen. Am Fermilab bei Chicago erzeugt die Long-Baseline Neutrino Facility den intensivsten hochenergetischen Neutrinostrahl, der je gebaut wurde - zunächst mit 1,2 Megawatt Protonenstrahlleistung, mit Ausbaupfad auf etwa das Doppelte. Ein Nahdetektor, wenige hundert Meter von der Quelle entfernt, vermisst den Strahl beim Verlassen: Zusammensetzung, Energiespektrum, Intensität.

Dann läuft der Strahl 1.300 Kilometer durch massives Gestein. Nichts lenkt ihn, nichts hält ihn zusammen; Neutrinos durchqueren den Mantel schlicht, als wäre er nicht da, und laufen dabei langsam auseinander. Ein Tunnel ist nicht nötig und existiert nicht. Der Strahl wird in Illinois nach unten gerichtet und taucht gewissermaßen in South Dakota wieder auf.

Dort wartet der Ferndetektor, 1,5 Kilometer unter der Oberfläche in der Sanford Underground Research Facility. Er misst, was ankommt. Weil der Nahdetektor bereits erfasst hat, was losgeschickt wurde, ist der Unterschied zwischen beiden die Physik: wie viele Myon-Neutrinos verschwunden sind, wie viele Elektron-Neutrinos hinzugekommen sind - und bei welchen Energien.

Die Zwei-Detektoren-Bauweise macht die Messung belastbar. Die meisten systematischen Unsicherheiten - Strahlintensität, Flussmodellierung, Annahmen über Wirkungsquerschnitte - wirken auf beide Detektoren ähnlich und heben sich im Vergleich weitgehend auf. Dasselbe Prinzip nutzt T2K in Japan mit Super-Kamiokande als Ferndetektor, hier hochskaliert in Basislinie, Masse und Strahlleistung.

Warum flüssiges Argon

Ein Wasser-Tscherenkow-Detektor sieht einen Lichtring und schließt aus dessen Form auf das Teilchen. Eine Zeitprojektionskammer mit flüssigem Argon macht etwas, das der Fotografie näherkommt. Durchquert ein geladenes Teilchen das flüssige Argon, ionisiert es entlang seiner Bahn Atome. Ein starkes elektrisches Feld lässt die freigesetzten Elektronen seitwärts über Meter zu einer Ebene fein gestufter Auslesedrähte oder Pixel driften, die festhalten, wo und wann jedes eintraf.

Weil die Driftgeschwindigkeit bekannt ist, liefert die Ankunftszeit die dritte Koordinate. Das Ergebnis ist eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion jeder Spur des Ereignisses mit einer Auflösung von wenigen Millimetern, dazu die entlang jeder Spur abgegebene Energie. Teilchen lassen sich daran erkennen, wie sie Energie verlieren - nicht nur an der Form eines Lichtkegels.

Für die Physik, um die es DUNE geht, ist das entscheidend. Ein Elektron von einem Photon zu unterscheiden oder die einzelnen Teilchen aus einer komplizierten Wechselwirkung aufzulösen, gelingt mit einem Bild weit besser als mit einem Ring. Argon wird verwendet, weil es dicht ist, chemisch träge, durchlässig für sein eigenes Szintillationslicht - und weil es als etwa ein Prozent der Atmosphäre in der nötigen Menge zu Industriepreisen verfügbar ist.

Der technische Preis ist die Kryotechnik. Siebzigtausend Tonnen Argon müssen bei etwa minus 186 Grad Celsius gehalten werden, und das bei einer Reinheit, in der Verunreinigungen wie Sauerstoff in Teilen pro Billion gemessen werden - denn schon wenige Sauerstoffmoleküle würden die driftenden Elektronen einfangen, bevor sie die Auslese je erreichen.

Das Experiment in Zahlen

DUNE befindet sich im Bau. Die folgenden Angaben beschreiben den genehmigten Entwurf und, wo Ausschachtung und Prototypen abgeschlossen sind, den Bauzustand.

• Basislinie: 1.300 Kilometer, Fermilab (Batavia, Illinois) bis Lead, South Dakota
• Ferndetektor: vier Module mit je rund 17.000 Tonnen flüssigem Argon, zusammen etwa 70.000 Tonnen
• Tiefe: rund 1,5 Kilometer unter Tage in der Sanford Underground Research Facility
• Strahl: Long-Baseline Neutrino Facility, anfangs 1,2 Megawatt, ausbaubar Richtung 2,4 Megawatt
• Technik: Zeitprojektionskammer mit flüssigem Argon, dreidimensionale Spurabbildung im Millimeterbereich
• Kollaboration: über 1.400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus mehr als 200 Institutionen in über 30 Ländern
• Standortgeschichte: die ehemalige Homestake-Goldmine, in der Raymond Davis jr. das erste Experiment zu solaren Neutrinos betrieb
• Stand: Ausschachtung des Fernstandorts 2024 abgeschlossen; erste Module gegen Ende des Jahrzehnts erwartet

Die Frage, für die DUNE gebaut wird

Das Universum besteht aus Materie. Der Urknall hätte Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen hervorbringen sollen, die einander vollständig vernichtet hätten - übrig geblieben wäre Strahlung und sonst nichts. Etwas hat die Waage gekippt, und das nötige Ungleichgewicht ist gering, etwa eins zu einer Milliarde, aber es ist der Grund, dass überhaupt etwas existiert.

Ein Erklärungskandidat ist die CP-Verletzung: ein Unterschied im Verhalten von Teilchen und ihren Antiteilchen. Bei Quarks wird seit den 1960er-Jahren ein kleines Maß davon beobachtet, aber viel zu wenig, um die Asymmetrie zu erklären. Die verbleibende Hoffnung ist, dass der Effekt im Leptonsektor deutlich größer ausfällt - und dort wäre das Neutrino der Ort, an dem er sich zeigt.

Der Test ist im Prinzip direkt. Myon-Neutrinos losschicken und zählen, wie viele als Elektron-Neutrinos ankommen. Dann Myon-Antineutrinos losschicken und zählen, wie viele als Elektron-Antineutrinos ankommen. Behandelt die Oszillation beide Fälle gleich, stimmen die Anteile überein. Tun sie es nicht, ist die CP-Symmetrie im Leptonsektor verletzt.

Die Schwierigkeit liegt in Statistik und Kontrolle. Der Effekt ist, wenn es ihn gibt, ein mäßiger Unterschied zwischen zwei kleinen Zahlen - das verlangt einen gewaltigen Detektor, einen sehr intensiven Strahl, eine lange Basislinie und Jahre Messzeit. Diese Anforderungsliste ist im Wesentlichen das Pflichtenheft von DUNE.

Was der Detektor außerdem leisten wird

Dieselbe 1.300-Kilometer-Basislinie klärt die Massenordnung der Neutrinos. Auf dem Weg durch die Erde verändert die Materie selbst die Oszillation - Elektronen im Gestein wirken auf Elektron-Neutrinos anders als auf die übrigen Arten. Dieser Materieeffekt wächst mit der Entfernung und ist bei 1.300 Kilometern stark genug, um zu zeigen, ob der dritte Massenzustand über oder unter den beiden anderen liegt. Experimente mit kürzerer Basislinie tun sich damit schwer.

DUNE wird außerdem nach Protonenzerfall suchen, wie Super-Kamiokande, aber mit anderer Empfindlichkeit. Die Argon-Abbildung ist besonders gut im Zerfallskanal mit einem Kaon, den Wasserdetektoren nur schwer sehen. Die beiden Techniken decken damit einander ergänzende Kanäle ab, statt um denselben zu konkurrieren.

Und es wird eines der weltbesten Instrumente für eine galaktische Supernova sein. Argon ist über die Absorption an Argon-40 ungewöhnlich empfindlich für Elektron-Neutrinos, während die meisten großen Detektoren vor allem auf Elektron-Antineutrinos ansprechen. Beim Kernkollaps dominieren im frühesten Ausbruch die Elektron-Neutrinos - DUNE sähe also die ersten Sekunden in einem Kanal, für den die meisten anderen Detektoren nahezu blind sind, und ergänzte damit, was Supernova-Neutrino-Detektoren andernorts aufzeichnen.

Prototypen namens ProtoDUNE laufen seit Jahren am CERN im Bereich mehrerer hundert Tonnen, um Entwurf und Rekonstruktionssoftware zu prüfen, bevor die vollen Module gebaut werden. Dieses gestufte Vorgehen ist der Grund, warum ein Projekt dieser Größe schon auf dem Papier glaubwürdig ist, bevor der Detektor existiert.

Was DUNE nicht klären wird

Es wird die absolute Masse des Neutrinos nicht messen. Wie jedes Oszillationsexperiment ist DUNE empfindlich für Differenzen quadrierter Massen und für die Reihenfolge der Zustände, nicht dafür, wie viel einer davon wiegt. Diese Frage gehört zu Direktmessungen ganz anderer Bauart.

Es wird die Materie-Antimaterie-Asymmetrie auch dann nicht allein erklären, wenn es eine große CP-verletzende Phase findet. Leptonische CP-Verletzung ist eine notwendige Zutat der führenden Erklärungsklasse, keine vollständige Erklärung; beides zu verbinden erforderte zusätzliche Physik bei Energien, die kein Beschleuniger erreicht.

Und es sagt nichts darüber, ob sich Neutrinofluss in nutzbare Leistung verwandeln lässt. Das ist erwähnenswert, weil ein so großer Detektor die Annahme nahelegt, Wechselwirkungen seien reichlich vorhanden. Sind sie nicht. Die Größe von DUNE existiert, um auszugleichen, wie selten Neutrinos wechselwirken, und der Strahl ist gerade deshalb so intensiv, weil die natürliche Wechselwirkungsrate vernachlässigbar ist. Die Neutrinovoltaik-Forschung stellt eine andere Frage - nach Umgebungsstrahlung und thermischen Fluktuationen an einer Materialoberfläche -, und DUNE stützt sie weder noch widerlegt es sie.

Was DUNE leisten wird, ist, das Neutrino von einem Teilchen, das wir nachweisen, zu einem Teilchen zu machen, das wir präzise vermessen. Das ist ein Kategorienwechsel, und er ist der Grund, warum ein Dutzend Länder sich darauf verständigt haben, ein Jahrzehnt und sehr viel Geld in die Aushöhlung eines Bergs in South Dakota zu stecken.

Homestake, zum zweiten Mal

Der Standort ist kein Zufall. Homestake wurde in den 1960er-Jahren aus demselben Grund gewählt, aus dem es heute genutzt wird: Es ist tief, es ist stabil, und das Gestein darüber entfernt nahezu den gesamten Untergrund aus kosmischer Strahlung. Davis' Chlortank stand auf der 4.850-Fuß-Sohle; die Kavernen von DUNE liegen auf derselben Sohle, wenige hundert Meter entfernt.

Davis' Ergebnis - ein hartnäckiges Defizit an solaren Neutrinos - galt weithin als Fehler in seiner Chemie oder im Sonnenmodell. Es war weder das eine noch das andere. Es war das erste Anzeichen der Oszillation, auch wenn es das Sudbury Neutrino Observatory und Super-Kamiokande brauchte, um sie zu belegen. Davis erhielt 2002 im Alter von 88 Jahren einen Anteil am Physik-Nobelpreis.

In dieser Abfolge steckt eine Lehre, die man im Blick behalten sollte. Eine Anomalie, die dreißig Jahre lang allen Erklärungsversuchen standhält, ist nicht zwangsläufig ein Fehler - aber sie ist auch keine Entdeckung, solange kein unabhängiges Experiment mit anderer Systematik sie bestätigt. Die Neutrinophysik ist mit diesem Maßstab ungewöhnlich diszipliniert umgegangen, und darauf beruht die Glaubwürdigkeit des Feldes.

Ein breiteres Bild davon, wie sich die verschiedenen Detektoren die Arbeit teilen, gibt unsere Übersicht zu Neutrino-Observatorien sowie die Seiten zu IceCube und Super-Kamiokande.