LNGS – Größtes unterirdisches Labor der Welt

Im Gran Sasso forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in internationalen Teams an der Schnittstelle von Astrophysik, Kosmologie und Teilchenphysik. Mit verschiedenen Experimenten analysieren sie in den Experimentierhallen im Gebirgsmassiv Neutrinos und andere Teilchen und wollen den kosmischen Rätseln wie etwa der Dunklen Materie auf die Spur kommen.

Das Laboratori Nazionali del Gran Sasso von oben

Borexino
Von 2007 bis 2021 nahm Borexino Neutrinos mit niedriger Energie, die von der Sonne auf die Erde einprasseln, ins Visier. Zahlreiche Erkenntnisse resultierten aus Borexino - wie etwa die Raten ausgestrahlter Sonnenneutrinos und selbst die erstmalige Beobachtung irdischer Antineutrinos.

GERDA
Mit GERDA untersuchten Forschende von 2011 bis 2020 den Beta-Doppelzerfall des Germaniumisotops 76Ge, einer radioaktiven Variante von Germanium. Bei dieser Zerfallsreaktion entstehen - anders als bei vielen anderen - keine Neutrinos. Dadurch sollten sich Eigenschaften des Neutrinos, wie etwa die Neutrinomasse ableiten lassen. Auch der Theorie, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein könnten, ging GERDA auf den Grund und fügte somit unserem Verständnis vom Aufbau der Materie und von der Entwicklung des Universums wichtige Puzzleteile zu.

LEGEND
Aufbauend auf GERDA geht nun LEGEND den Neutrinos weiter - mit höher Empfindlichkeit - auf die Spur. Mit diesem Experiment wollen die Forschungsteams die sogenannte Majorana-Eigenschaft der Elementarteilchen analysieren, sprich: herausfinden, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Dazu untersuchen sie einen besonders seltenen Zerfall, nämlich den neutrinolosen doppelten Betazerfall, bei dem sich zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen umwandeln.

CRESST
Das Experiment CRESST (Cryogenic Rare Event Search using Superconducting Thermometers) soll dazu beitragen, das Rätsel rund um die Dunkle Materie zu lösen. Mit dem Detektor wollen Forschende die Teilchen finden, die sie für die Dunkle Materie verantwortlich machen: WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) - schwach wechselwirkende massereiche Teilchen. Das CRESST-Experiment gilt als weltweit führend, was die Suche nach Dunkler Materie bei den derzeit niedrigsten messbaren WIMP-Massen betrifft.

XENON
Wie CRESST geht auch XENON der Dunklen Materie auf den Grund und soll WIMPs als Dunkle-Materie-Teilchen direkt identifizieren. Das XENON-Experiment besitzt eine der weltweit niedrigsten Raten an Störereignissen und ist auf die Suche bei besonders massereichen WIMPs spezialisiert.

Die Experimente am Laboratori Nazionali del Gran Sasso, wie der unterirdische Laborkomplex auf Italienisch heißt, sind in 180 000 Kubikmeter fassenden Experimentierhallen im Bergmassiv untergebracht. Notwendig ist das, um die Experimente möglichst gut von kosmischen Teilchen fernzuhalten, die gewissermaßen im 1400 Meter dicken, massiven Gebirge gesiebt werden.

Borexino
Eines dieser Teilchen ist das Neutrino. Es entsteht bei der Kernfusion in der Sonne und etwa 60 Milliarden solcher Sonnenneutrinos durchqueren einen Quadratzentimeter der Erde jede Sekunde. Doch Neutrinos wechselwirken kaum mit der uns bekannten Materie. Hier schafft der massive Borexino-Detektor Abhilfe. Er umfasst 1300 Tonnen sogenanntes Szintillatormaterial und 2400 Tonnen Wasser, womit sich die Teilchen aufspüren lassen. Das Szintillatormaterial leuchtet auf, wenn Neutrinos zunächst auf Elektronen im Wasser treffen und diese wiederum den Szintillator treffen. Das Lichtsignal wird anschließend verstärkt.

GERDA

GERDA
Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen? Wenn ja, spräche man von einem Majorana-Teilchen. Um dieses Rätsel zu lösen, haben Physikerinnen und Physiker das Experiment GERDA ins Leben gerufen: 40 Kilogramm schwere Detektoren aus der Germaniumvariante ⁷⁶Ge lieferten neue Erkenntnisse. Würde man einen neutrinolosen doppelten Betazerfall beobachten, wäre dies die Bestätigung. Dieser Beweis blieb jedoch aus, denn - so das Ergebnis - ein neutrinoloser Doppel-Betazerfall würde mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit erst nach mehr als 80 000 Trilliarden Jahren in einem ⁷⁶Ge-Atom ablaufen. Aus diesem Resultat errechneten die Forschungsteams, dass ein Majorana-Neutrino mindestens zweieinhalb Millionen Mal leichter wäre als ein Elektron.

LEGEND
Auch LEGEND verwendet das Germaniumisotop ⁷⁶Ge: Es soll besonders empfindlich die Reaktion nachweisen, in der sich zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen umwandeln, ohne dass dabei Neutrinos entstehen. Die hohe Empfindlichkeit wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch eine hohe Detektormasse erreichen - somit lässt sich mit zunehmender Sicherheit der Beweis für diese Reaktion erbringen - und der Nachweis, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Daneben zielt LEGEND auf eine zweite fundamentale Erkenntnis ab: Auch die maximale Masse der Neutrinos wollen die Forschenden mit LEGEND sehr genau bestimmen.

CRESST-III
WIMPs - schwach wechselwirkende massereiche Teilchen – sind eine der favorisierten Erklärungen für die Dunkle Materie. CRESST hat sich zum Ziel gesetzt, die Energie zu messen, die ein einzelnes Dunkle-Materie-Teilchen bei seiner Interaktion mit einem Kristall abgibt. Dazu ist neben einem kleinen Kristall aus Kalziumwolframat (CaWO4) ein Lichtdetektor angebracht. Er muss beinahe auf den absoluten Nullpunkt gekühlt werden, also auf nur wenige Tausendstel Grad oberhalb von -273,15 Grad Celsius. Um die Energie aus der Reaktion zu messen, dient ein sogenannter Transition Edge Sensor (TES), der bei diesen Temperaturen supraleitend ist. Wechselwirkt ein Dunkle Materie-Teilchen mit dem Kristall, wird er durch die abgegebene Energie des Teilchens minimal wärmer und verliert seine supraleitende Eigenschaft. Der sich erhöhende Widerstand des TES ist dann messbar.

XENONnT
Das Experiment besteht im Wesentlichen aus einem riesigen Wassertank mit drei Detektoren: µVeto, nVeto, und TPC. Myonen, kosmische Teilchen, lösen in dem Wassertank Tscherenkowstrahlung aus. Diese stört die gewünschte Messung, weshalb das µVeto deren Signale aus den Messergebnissen herausfiltert. Zudem erzeugen auch Neutronen Störsignale im Wassertank – diese filtert das nVeto heraus. Einzig die Signale der WIMPs, der schwach wechselwirkenden massereichen Partikel, sollen übrig bleiben. Das Zentrum von XENONnT bildet die Zeitprojektionskammer (TPC, Time Projection Chamber), ein Behälter aus Teflon, der mit flüssigem Xenon gefüllt ist und darüber gasförmiges Xenon enthält. Xenon eignet sich unter anderem deshalb, um WIMPs zu messen, da es stärker als andere Atome mit ihnen wechselwirkt. In der TPC lassen sich die Signale von Licht und Ladungen unabhängig messen. Sie entstehen, wenn ein Teilchen Energie in dem Detektor abgibt. Zunächst lässt sich ein Lichtsignal an den Photomultiplier-Röhren oben und unten am Xenonbehälter messen, ein elektrisches Feld beschleunigt die Ladungen hingegen in das Xenongas, wo sie dann erneut Lichtblitze erzeugen.

Forschende am GERDA-Experiment

Am Gran Sassor Labor arbeiten in zahlreichen Experimenten insgesamt über 1000 Forschende zusammen. Am Borexino-Experiment waren etwa 140 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Italien, Frankreich, Deutschland, Russland, Polen, der Ukraine, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten beteiligt. An CRESST-III, dem aktuellen Ausbau, arbeiten Deutschland, Italien, Österreich und das Vereinigte Königreich zusammen. GERDA war ein Gemeinschaftsprojekt von rund 120 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, Belgien, Italien, Polen, Russland und der Schweiz. Am Nachfolgeprojekt LEGEND sind mehr als 30 Forschungseinrichtungen aus fast zehn Ländern beteiligt. Für das Zukunftsprojekt XENONnT wollen über 200 Forschende aus über 25 Einrichtungen der Länder China, Frankreich, Israel, Italien, Japan, Niederlande, Portugal, Schweden, Schweiz, die USA und der Vereinigten Arabischen Emirate zusammenarbeiten.

GERDA Phase-2

Die Vielfalt an Experimenten, die am Gran Sasso Labor stattfand und -findet, zeigt die hohe Dynamik der Forschung an diesem Standort. Während einige Experimente abgebaut werden – wie zum Beispiel Borexino, das 2021 heruntergefahren und stillgelegt wurde, oder GERDA, sind von anderen Experimenten bereits Nachfolgeprojekte in der Entwicklung. So hoffen Physikerinnen und Physiker etwa mit CRESST-III und XENONnT oder dem Zukunftsprojekt DARWIN grundlegende neue Erkenntnisse zu erlangen und damit eines der größten Rätsel der Physik um die sagenumwobene Dunkle Materie zu lüften. LEGEND ist Nachfolger des erfolgreichen GERDA-Experiments. Das aktuell im Betrieb befindliche Experiment, LEGEND-200, verwendet die experimentelle Infrastruktur von GERDA weiter und ist bereits um eine Größenordnung empfindlicher als GERDA. Im geplanten Ausbau LEGEND-1000 soll die Masse des Detektors von 200 auf 1000 Kilogramm steigen – und damit auch die Empfindlichkeit um eine weitere Größenordnung.