Environmental Measurements in the Sedrun Access Shaft to the Gotthard Base Tunnel -- a Promising Site for a Long-Baseline Atom Interferometer

Dit artikel presenteert de resultaten van een milieu-meetcampagne in de Sedrun-toegangsschacht van de Gotthard-basistunnel, waaruit blijkt dat de omgevingscondities, inclusief trillingen en elektromagnetische achtergrondruis, geschikt zijn voor de bouw van een atoominterferometer met een basislengte van 800 meter.

De kern

Titel: Een Super-gevoelige Weegschaal in een Tunnelschacht: Waarom Sedrun de perfecte plek is voor een nieuwe natuurkunde-experiment

Stel je voor dat je een weegschaal bouwt die zo gevoelig is dat hij het gewicht van een enkele bacterie kan meten, terwijl er een vrachtwagen langs rijdt. Dat is ongeveer wat wetenschappers van CERN en andere universiteiten willen doen met een atoom-interferometer. Ze willen de kleinste trillingen in het universum meten, zoals de geesten van donkere materie of rimpelingen in de ruimtetijd (zwaartekrachtsgolven).

Maar om dit te doen, heb je een plek nodig die ontzettend stil is. Geen trillingen van de grond, geen ruis van elektriciteit.

Dit verslag vertelt het verhaal van een zoektocht naar zo'n perfecte plek: de Sedrun-tunnelschacht in de Zwitserse Alpen, die toegang geeft tot de Gotthard-basistunnel.

1. De Droom: Een "Laser-Weegschaal" voor Atomen

De wetenschappers willen een experiment bouwen in een verticale schacht van 800 meter diep. Ze gebruiken laserstralen om wolken van koude atomen te laten vallen en te laten botsen.

• De Analogie: Denk aan twee atomen die als twee identieke dansers door de lucht zweven. Als er iets heel kleins gebeurt (zoals een zwaartekrachtsgolf die door de ruimte gaat), verandert hun danspasje net iets. Door te kijken hoe ze samenkomen, kunnen de wetenschappers zien of er iets vreemds is gebeurd.
• Het Probleem: Als de grond trilt of er een magnetisch veld schommelt, dansen de atomen niet meer netjes. Het experiment faalt.

2. De Locatie: De "Porta Alpina" Schacht

Ze kozen voor een schacht in Sedrun, Zwitserland. Dit is een enorme betonnen buis van 800 meter diep, die oorspronkelijk is gebouwd voor een treinstation dat nooit is gerealiseerd (het "Porta Alpina"-project).

• Waarom hier? Het is diep onder de grond (goed voor isolatie), het is een rechte verticale buis (perfect voor vallende atomen), en het is al een bestaande infrastructuur.

3. De Test: Is het hier stil genoeg?

Voordat ze de dure apparatuur neerzetten, moesten ze eerst controleren of de plek niet te luidruchtig is. Ze hebben daarvoor in 2025 een meetcampagne gehouden. Ze hebben sensoren neergezet bovenaan en onderaan de schacht om alles te meten:

• Trillingen: Zie je de grond bewegen als er een trein voorbijrijdt?
• Elektromagnetische ruis: Is er te veel "elektrisch gekraak" van de trein of ventilatoren?

Wat vonden ze? (De Resultaten)

A. De Trillingen (De "Erdbevingen")

• Normaal gedrag: De meeste van de tijd is de grond zo stil als een graf. De trillingen zijn veel lager dan wat nodig is voor het experiment. Het is zelfs stiller dan bij andere grote wetenschapscentra.
• De Treinen: Er gaan wel veel treinen voorbij (meer dan 32.000 tijdens de meting!).
  • De Metafoor: Als een trein voorbijkomt, is het alsof er een olifant door de gang loopt. De grond trilt even hard.
  • Het Nieuwe: Maar deze trillingen duren maar heel kort (10 tot 20 seconden). Tussen de treinen door is het weer eeuwenlang stil. Voor het experiment is dat geen probleem, want ze kunnen meten als er geen trein is.
• De Ventilatoren: Soms draaien de grote ventilatoren harder voor onderhoud. Dit maakt wat meer lawaai, maar ook dit is te managen.

B. De Magnetische Ruis (De "Elektrische Geesten")

• Atomen zijn gevoelig voor magnetische velden (zoals een kompas dat gek wordt als er een magneet in de buurt is).
• Ze zagen dat de trein (die op 16,7 Hz werkt) en het lichtnet (50 Hz) wel een piek veroorzaken.
• De Oplossing: Dit is geen ramp. De wetenschappers kunnen dit "filteren" of afschermen met speciale materialen. Het is als het dragen van een hoed tegen de regen; je wordt nat, maar niet door de storm.
• Interessant detail: Bovenin de schacht was er soms veel "ruis" door de wind van de ventilatoren die tegen de sensoren blies. Onderaan, waar de lift stilstaat, was het veel rustiger. Dit betekent dat ze de sensoren slim moeten plaatsen.

4. De Conclusie: Groen Licht!

Het korte verhaal is: Ja, dit is een perfecte plek.

De metingen hebben bewezen dat de Sedrun-schacht voldoet aan alle eisen voor een atoom-interferometer van 800 meter.

• De grond is stil genoeg.
• De magnetische ruis is beheersbaar.
• De treinverkeer is een tijdelijk probleem, geen permanent obstakel.

Wat betekent dit voor de toekomst?
Als dit experiment er komt, kunnen we misschien eindelijk zien wat donkere materie is (dat mysterieuze spul waar het universum van gemaakt is) of nieuwe soorten zwaartekrachtsgolven detecteren die we nu nog niet kunnen horen. Het is alsof we een nieuwe zintuig hebben gekregen om het universum te "horen".

De wetenschappers zeggen nu: "De plek is klaar. Laten we de volgende stap zetten en kijken of we dit project samen met de Zwitserse spoorwegen (SBB) echt kunnen bouwen."

Samengevat in één zin:
De diepe, stille schacht in Sedrun is net zo stil als een bibliotheek, zelfs met treinen eromheen, en is daarom de ideale plek om de kleinste trillingen van het universum te vangen.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het rapport "Environmental Measurements in the Sedrun Access Shaft to the Gotthard Base Tunnel - a Promising Site for a Long-Baseline Atom Interferometer" (CERN-PBC-Notes-2026-001), geschreven in het Nederlands.

Titel: Omgevingsmetingen in de Sedrun-toegangsschacht tot de Gotthard-basistunnel – Een veelbelovende locatie voor een lang-basislijn atoominterferometer

Auteurs: M. Guinchard et al. (CERN, Imperial College London, Universiteit van Oxford, enz.)
Datum: maart 2026

---

1. Probleemstelling en Context

Atoominterferometrie-experimenten (AI) bieden unieke mogelijkheden voor fundamentele fysica, met name voor:

• Het opsporen van interacties tussen ultralichte bosonische donkere materie (ULDM) en deeltjes uit het Standaardmodel.
• Het detecteren van gravitatiegolven in het frequentiegebied rond 1 Hz, een band die ontoegankelijk is voor bestaande laserinterferometers (zoals LIGO/Virgo) en ruimtemissies (zoals LISA).

Voor de volgende generatie AI-experimenten zijn verticale schachten met een hoogte van minimaal 100 meter vereist om de benodigde basislijn te realiseren en ruis te minimaliseren. De Sedrun Multi-Function Site (MFS) van de Gotthard-basistunnel in Zwitserland, met zijn twee verticale schachten van 800 meter, werd geïdentificeerd als een potentiële locatie.

Het centrale probleem was echter onzekerheid over de geschiktheid van deze locatie voor een gevoelig experiment. De schacht bevindt zich in een actieve infrastructuur met treinverkeer, ventilatiesystemen en liften. Het was noodzakelijk om te bepalen of de omgevingsruis (seismisch en elektromagnetisch) laag genoeg is om een succesvol 800-meter AI-experiment mogelijk te maken, zonder dat de ruis de signaal-detectie overstemt.

2. Methodologie

Er werd een exploratieve omgevingsmetingscampagne uitgevoerd van mei tot juli 2025 in de Sedrun MFS. De metingen vonden plaats op twee locaties:

• TOP-station: Bovenaan de liftschacht (ongeveer 550 m diepte).
• BOTTOM-station: Onderaan de liftschacht (ongeveer 1,4 km diepte, vlak bij de sporen).

Meetapparatuur en protocollen:

• Trillingen en Seismische Ruis:

  • Gebruik van breedbandseismometers (Güralp 6T-serie) met een gevoeligheid van 2000 V/(m/s).
  • Metingen in drie richtingen (NS, EW, Verticaal) over een periode van 24 uur per dag, gedurende meer dan 1.500 uur.
  • Data werd gesynchroniseerd via GSM/NTP en gekoppeld aan een database van treinbewegingen (SBB) om specifieke gebeurtenissen te correlateer.
  • Analyse omvatte Power Spectral Densities (PSD) en Probability Power Spectral Densities (PPSD) om statistische verdelingen van de ruis te bepalen.

• Elektromagnetische (EM) Ruis:

  • Combinatie van een 3-assige fluxgate-magnetometer (DC – 3 kHz) en een 3-assige passieve lussenantenne (1 kHz – 100 kHz).
  • Metingen in drie scenario's:
    1. Standaard rustige operatie.
    2. Technische diensten op afstand (ventilatie/testen).
    3. Onderhoud met personeel aanwezig en lift in bedrijf.
  • Extra metingen om de statische magnetische veldvariatie over de volledige 800 meter diepte van de schacht in kaart te brengen tijdens liftbewegingen.

3. Belangrijkste Bijdragen

Dit rapport levert de eerste uitgebreide, datagedreven evaluatie van de Sedrun MFS als locatie voor een fundamentele fysica-experiment. De belangrijkste bijdragen zijn:

• Validatie van de locatie: Het is het eerste bewijs dat een actieve spoorweginfrastructuur ondergronds geschikt kan zijn voor ultra-gevoelige quantumexperimenten.
• Karakterisering van ruisbronnen: Gedetailleerde identificatie en kwantificering van specifieke ruisbronnen (treinen, ventilatie, liften) en hun impact op verschillende frequentiebanden.
• Correlatie met operationele data: De unieke koppeling van seismische en EM-data met de exacte trein- en liftbewegingslogboeken van de Zwitserse Spoorwegen (SBB).
• Technische specificaties: Definities van de vereiste afscherming en compensatie voor toekomstige AI-installaties op deze locatie.

4. Resultaten

A. Trillingen en Seismische Ruis:

• Algemene prestatie: De grondbeweging op zowel de TOP- als BOTTOM-locatie voldoet over het algemeen aan de strenge vereiste van het AION-100-project: versnellingsfluctuaties onder de $10^{-4} (m/s^2)/\sqrt{Hz}$ in het frequentiebereik van 0,1 Hz tot 100 Hz.
• Treinvloei: Passende treinen veroorzaken tijdelijke pieken in de grondbeweging, voornamelijk bij hogere frequenties (>40 Hz). De pieken bij de BOTTOM-locatie kunnen de limiet tijdelijk overschrijden (tot $5 \times 10^{-4}$), maar duren slechts 10-20 seconden. De frequentie van treinpassages (enkele minuten ertussen) maakt dit beheersbaar.
• Infrastructuur: Onderhoudswerkzaamheden (ventilatie) veroorzaken langdurige trillingen aan de TOP-locatie, maar de BOTTOM-locatie is hier minder gevoelig voor.
• Vergelijking: De ruisniveaus ondergronds in Sedrun zijn vergelijkbaar met of zelfs lager dan die in andere grote deeltjesversnellers zoals de LHC bij CERN.

B. Elektromagnetische Ruis:

• Frequentiepieken: Er zijn duidelijke pieken waargenomen bij 16,7 Hz (treintractie) en 50 Hz (netstroom), zoals verwacht.
• Lage frequenties (<10 Hz):
  • Aan de TOP-locatie werden significante lage-frequentie pieken waargenomen tijdens ventilatietesten. Analyse toonde aan dat dit waarschijnlijk een meetartifact is veroorzaakt door trillingen van de sensor door sterke luchtstromen, en geen echte magnetische storing.
  • Aan de BOTTOM-locatie (ver weg van de ventilatie) werden deze artefacten niet waargenomen.
• Liftinvloed: De lift veroorzaakt magnetische verstoringen. Aan de BOTTOM-locatie, waar de lift vaak geparkeerd staat, is er een persistente verstoring. Aan de TOP-locatie is de verstoring tijdelijk tijdens het passeren.
• Statisch Veld: Langs de schacht werden variaties in het statische magnetische veld gemeten, veroorzaakt door ferromagnetisch beton en remanente magnetisatie van staal. Dit vereist een goed ontworpen afscherming.

5. Conclusie en Betekenis

Conclusie:
De studie concludeert dat er geen "showstoppers" zijn voor de installatie en bediening van een atoominterferometer van ongeveer 800 meter in de Sedrun MFS. De omgevingsruis (zowel seismisch als elektromagnetisch) is laag genoeg om een succesvol experiment mogelijk te maken, mits de ontwerpvereisten voor afscherming en ruisreductie worden gehaald.

Betekenis:

• Wetenschappelijke Impact: Het opent de deur voor een nieuw type detector die gevoelig is voor donkere materie en gravitatiegolven in een "gaten" frequentieband (rond 1 Hz). Dit zou kunnen leiden tot doorbraken in het begrijpen van de oorsprong van het universum en de aard van donkere materie.
• Technologische Synergie: Het project demonstreert de potentieel van samenwerking tussen fundamentele fysica (CERN) en grote civiele infrastructuurprojecten (Gotthard-basistunnel).
• Toekomstperspectief: Het rapport vormt de basis voor verdere technische haalbaarheidsstudies en onderhandelingen met de Zwitserse Spoorwegen (SBB) en lokale autoriteiten om de "Porta Alpina" infrastructuur (oorspronkelijk voor een station bedoeld) te herbestemmen voor dit wetenschappelijke doel.

Kortom, Sedrun is bevestigd als een uitstekende, veelbelovende locatie voor de volgende generatie quantum-sensoren.