Characterisation of the Bedretto Underground Site for Fundamental Physics Experiments

Der leiseste Ort der Erde (und warum wir ihn brauchen)

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein einzelnes Flüstern mitten in einem tosenden Rockkonzert zu hören. Das ist im Wesentlichen das, womit Wissenschaftler konfrontiert sind, wenn sie versuchen, die flüchtigsten Geheimnisse des Universums zu erforschen. Tief unter der Erde, fernab vom Chaos der Oberfläche, suchen Experimente nach Dingen, die fast nie vorkommen: Teilchen der „Dunklen Materie“, die den Großteil des Universums ausmachen könnten, oder seltene Kernzerfälle, die erklären könnten, warum wir überhaupt existieren. Um diese geisterhaften Ereignisse einzufangen, benötigen Wissenschaftler ein Labor, das so leise wie möglich ist.

Warum ist es an der Oberfläche so laut? Erstens regnet es vom Himmel ständig hochenergetische Teilchen, sogenannte kosmische Strahlen, die in alles hineinprallen und ein Hintergrundrauschen erzeugen, das feine Signale übertönt. Zweitens vibriert der Boden selbst bei jedem vorbeifahrenden Auto, Zug oder jeder Meereswelle. Drittens leuchten die Gesteine um uns herum natürlich mit einer schwachen, unsichtbaren Strahlung von Elementen wie Uran und Radon. Um dies zu lösen, bauen Wissenschaftler Labore tief unter der Erde. Der massive Gesteinsberg darüber wirkt wie ein riesiger Schild, der den kosmischen Regen blockiert und die Vibrationen dämpft. Je tiefer man geht, desto leiser wird es. Aber den perfekten Ort zu finden – einen, der tief genug, leise genug und dennoch leicht erreichbar ist – gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Hier tritt ein neuer Anwärter in die Arena.

Die Suche nach dem ultimativen unterirdischen Versteck

Ein Forscherteam hat gerade einen massiven „Gesundheitscheck“ für ein potenzielles neues Zuhause der Wissenschaft abgeschlossen: den Bedretto-Tunnel in den Bergen des Tessins in der Schweiz. Betrachten Sie diesen Tunnel nicht nur als ein Loch im Boden, sondern als einen potenziellen „Quiet Room“ für die empfindlichsten Instrumente, die je gebaut wurden. Das Team wollte wissen: Ist dieser Ort leise genug, um dem Flüstern des Universums zu lauschen?

Sie ließen sich etwa 3,5 Kilometer tief im Tunnel nieder, an einem Ort namens TM3500, der unter mehr als 1.400 Metern massivem Gebirge liegt. Um den Standort zu testen, agierten sie wie kosmische Detektive und maßen alles – vom Teilchenregen, der gegen die Wände prallt, bis hin zum Summen der Erde selbst.

Der kosmische Regen-Check
Zuerst untersuchten sie den „kosmischen Myonen-Regen“. Myonen sind wie winzige, Hochgeschwindigkeits-Projektile aus dem Weltraum, die fast alles durchschlagen können. An der Oberfläche treffen sie ständig auf uns ein. Das Team stellte ein Teleskop aus Kunststoffpaneelen auf, um sie zu zählen. Das Ergebnis war spektakulär: Am Standort Bedretto wurde der Myonen-Regen um den Faktor einer Million gegenüber der Oberfläche unterdrückt. Es ist, als wäre man von einem Hurrikan zu einer sanften Brise gewechselt. Diese Ebene der Stille versetzt Bedretto in die gleiche Liga wie die weltweit besten unterirdischen Labore und macht es zu einem erstklassigen Kandidaten für Experimente, die vor kosmischem Rauschen abgeschirmt werden müssen.

Das radioaktive Leuchten des Gesteins
Als Nächstes überprüften sie die Wände selbst. Gestein ist nicht vollkommen still; es enthält natürliche radioaktive Elemente, die Gammastrahlen und Neutronen aussenden, was für empfindliche Detektoren wie gefälschte Signale wirken kann. Das Team nahm Proben des Granits von den Tunnelwänden und maß deren „radioaktiven Fingerabdruck“. Sie fanden heraus, dass das Gestein an ihrem gewählten Ort tatsächlich recht sauber war, mit etwa 35 % weniger Radioaktivität als Gestein, das an anderen Stellen im Tunnel gefunden wurde. Sie maßen auch die Luft und stellten fest, dass zwar etwas Radon (ein radioaktives Gas, das aus dem Gestein sickert) vorhanden ist, dies aber leicht durch das Einpumpen von Frischluft kontrolliert werden kann – ganz so, als würde man ein Fenster öffnen, um einen muffigen Raum zu lüften.

Das Vibrieren und das magnetische Summen
Schließlich lauschten sie dem Boden und der Luft nach unsichtbarem Lärm. Sie maßen das Magnetfeld (die unsichtbare Kraft, die Kompasse leitet) und die seismischen Vibrationen (das Beben des Bodens). Sie fanden heraus, dass das magnetische Rauschen extrem niedrig war, mit Ausnahme eines spezifischen „Summens“ bei 16,7 Hz. Dieses Summen erwies sich als Ursache durch die elektrischen Züge, die im nahegelegenen Furka-Bahntunnel verkehren; wenn die Züge nachts halten, verschwindet das Summen. Dies zeigt den Wissenschaftlern, dass sie lediglich gegen diese spezifische Frequenz abschirmen müssen, falls sie ihr Labor bauen.

Die seismischen Messungen waren sogar noch beeindruckender. Der Boden in Bedretto ist so ruhig, dass er weit leiser ist als das „New Low Noise Model“, welches die theoretische Grenze dessen darstellt, wie leise die Erde überhaupt werden kann. Tatsächlich sind die Vibrationen so gering, dass sie zwei Größenordnungen besser sind als das, was für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren erforderlich ist – Maschinen, die darauf ausgelegt sind, die Krümmungen der Raumzeit zu belauschen, die durch kollidierende Schwarze Löcher verursacht werden.

Was dies für die Zukunft bedeutet
Das Paper kommt zu dem Schluss, dass der Bedretto-Tunnel ein „hochgradig kompetitiver“ Standort für die fundamentale Physik ist. Er ist nicht nur tief, sondern auch zugänglich, mit horizontalen Tunneln, die es im Gegensatz zu manchen Laboren, die vertikale Schächte erfordern, einfach machen, schwere Ausrüstung hinein- und herauszubewegen. Das Team schlägt vor, dass dieser Standort mit Standardmaßnahmen – wie dem Hinzufügen einer Betonschicht an den Wänden, um mehr Strahlung und Neutronen zu blockieren – zu einem der tiefsten und leisesten Labore Europas werden könnte.

Sie behaupten nicht, das Labor bereits gebaut zu haben, aber sie haben bewiesen, dass der Standort bereit ist. Die Messungen zeigen, dass das Hintergrundrauschen niedrig genug ist, um hochmoderne Experimente zur Suche nach Dunkler Materie, dem neutrinolosen Doppelbetarah-Zerfall und Gravitationswellen zu unterstützen. Im Wesentlichen haben sie eine perfekte, stille Höhle gefunden, in der die Geheimnisse des Universums endlich laut genug sein könnten, um gehört zu werden.