Characterisation of the Bedretto Underground Site for Fundamental Physics Experiments

De Stilste Plek op Aarde (en Waarom We Die Nodig Hebben)

Stel je voor dat je een enkele fluistering probeert te horen midden in een bruisend rockconcert. Dat is in essentie waar wetenschappers voor staan wanneer ze proberen de meest ongrijpbare geheimen van het universum te bestuderen. Diep onder de grond, ver weg van de chaos aan het oppervlak, zijn er experimenten die zoeken naar dingen die bijna nooit gebeuren: deeltjes van "donkere materie" die mogelijk het grootste deel van het universum vormen, of zeldzame nucleaire vervalprocessen die zouden kunnen verklaren waarom wij überhaupt bestaan. Om deze spookachtige gebeurtenissen te vangen, hebben wetenschappers een laboratorium nodig dat zo stil mogelijk is.

Waarom is het oppervlak zo luidruchtig? Ten eerste regent het vanuit de hemel constant hoogenergetische deeltjes, genaamd kosmische stralen, die tegen alles aan botsen en een achtergrond van "statische ruis" creëren die delicate signalen overstemt. Ten tweede trilt de grond zelf door elke passerende auto, trein en oceaangolf. Ten derde geven de rotsen om ons heen van nature een zwakke, onzichtbare straling af van elementen zoals uranium en radon. Om dit op te lossen, bouwen wetenschappers diepe ondergrondse laboratoria. De enorme berg gesteente boven hen werkt als een gigantisch schild, dat de kosmische regen blokkeert en de trillingen dempt. Hoe dieper je gaat, hoe stiller het wordt. Maar het vinden van de perfecte plek — één die diep genoeg is, stil genoeg, en gemakkelijk bereikbaar — is als het zoeken naar een speld in een hooiberg. Hier komt een nieuwe uitdager in het spel.

De Zoektocht naar de Ultieme Ondergrondse Schuilplaats

Een team onderzoekers heeft zojuist een uitgebreide "gezondheidscontrole" voltooid van een nieuwe potentiële thuisbasis voor de wetenschap: de Bedretto-tunnel in de bergen van Ticino, Zwitserland. Zie deze tunnel niet alleen als een gat in de grond, maar als een potentiële "stille kamer" voor de meest gevoelige instrumenten ooit gebouwd. Het team wilde weten: is deze plek stil genoeg om de fluistering van het universum te horen?

Ze vestigden zich ongeveer 3,5 kilometer diep in de tunnel, een plek genaamd TM3500, die onder meer dan 1.400 meter massief gesteente ligt. Om de locatie te testen, traden ze op als kosmische detectives en maten ze alles, van de regen van deeltjes die tegen de wanden botsen tot het gezoem van de aarde zelf.

De Kosmische Regencontrole
Eerst keken ze naar de "kosmische muonregen". Muonen zijn als kleine, snelle kogels uit de ruimte die bijna alles kunnen doorboren. Aan het oppervlak raken ze ons constant. Het team stelde een telescoop op van plastic panelen om ze te tellen. De resultaten waren spectaculair: op de Bedretto-locatie werd de muonregen onderdrukt met een factor één miljoen vergeleken met het oppervlak. Het is alsof ze van een orkaan naar een zachte bries zijn verplaatst. Dit niveau van stilte plaatst Bedretto in dezelfde klasse als de beste ondergrondse laboratoria ter wereld, wat het een primaire kandidaat maakt voor experimenten die beschermd moeten worden tegen kosmische ruis.

De Radioactieve Gloed van de Rots
Vervolgens controleerden ze de wanden zelf. Rotsen zijn niet perfect stil; ze bevatten natuurlijke radioactieve elementen die gammastraling en neutronen uitzenden, wat zich kan voordoen als valse signalen voor gevoelige detectoren. Het team nam monsters van het graniet van de tunnelwanden en mat hun "radioactieve vingerafdruk". Ze ontdekten dat het gesteente op hun gekozen plek eigenlijk heel schoon was, met ongeveer 35% minder radioactiviteit dan gesteente elders in de tunnel. Ze maten ook de lucht en stelden vast dat er weliswaar wat radon gas aanwezig is (een radioactief gas dat uit rotsen sijpelt), maar dat dit gemakkelijk beheerd kan worden door verse lucht naar binnen te pompen, vergelijkbaar met het openen van een raam om een stinkende kamer te luchten.

De Trilling en de Magnetische Hum
Ten slotte luisterden ze naar de grond en de lucht voor onzichtbaar geluid. Ze maten het magnetisch veld (de onzichtbare kracht die kompassen stuurt) en de seismische trillingen (het schudden van de grond). Ze vonden de magnetische ruis ongelooflijk laag, met uitzondering van een specifieke "hum" bij 16,7 Hz. Deze brom bleek te worden veroorzaakt door de elektrische treinen die in de nabijgelegen Furka-spoorwegtunnel rijden; wanneer de treinen 's nachts stoppen, verdwijnt de brom. Dit vertelt de wetenschappers dat als ze hun lab bouwen, ze alleen maar moeten afschermen tegen die specifieke frequentie.

De seismische metingen waren nog indrukwekkender. De grond bij Bedretto is zo stil dat deze veel stiller is dan het "New Low Noise Model", de theoretische limiet van hoe stil de aarde kan worden. Sterker nog, de trillingen zijn zo laag dat ze twee ordes van grootte beter zijn dan wat vereist is voor de volgende generatie detectoren van zwaartekrachtgolven — machines die ontworpen zijn om te luisteren naar de rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door botsende zwarte gaten.

Wat Dit Betekent voor de Toekomst
Het artikel concludeert dat de Bedretto-tunnel een "zeer concurrerende" locatie is voor fundamentele fysica. Het is niet alleen diep; het is toegankelijk, met horizontale tunnels die het gemakkelijk maken om zware apparatuur in en uit te bewegen, in tegen te unlike sommige labs die verticale schachten vereisen. Het team suggereert dat met standaard constructie — zoals het toevoegen van een laag beton aan de wanden om meer straling en neutronen te blokkeren — deze locatie een van de diepste en stilste laboratoria van Europa kan worden.

Ze beweren niet dat ze het lab al hebben gebouwd, maar ze hebben bewezen dat de locatie klaar is. De metingen laten zien dat de achtergrondruis laag genoeg is om baanbrekende experimenten te ondersteunen die zoeken naar donkere materie, neutrinoless double beta decay en zwaartekrachtgolven. In essentie hebben ze een perfecte, stille grot gevonden waar de geheimen van het universum eindelijk luid genoeg zouden kunnen zijn om gehoord te worden.