Eine Gruppe von Menschen platzierte eine supergroße Kristallkugel in den Bergen von Guangdong, um 700 Meter unter der Erde „kosmische Geister“ einzufangen

Die Gewinnerarbeiten des „China Science Popularization Youth Star Creation Competition“ 2023

Autor: He Jingwen

Was ist das Konzept von 700 Metern? Es ist so hoch wie Dutzende von Stockwerken und so lang wie etwa 7.000 miteinander verbundene Xiangpiaopiao-Ballons. Was ist, wenn es 700 Meter tief ist? Um dorthin zu gelangen, müsste man mit einer Seilbahn durch einen langen, schrägen Schacht fahren.

Tief in den Bergen von Guangdong plante eine Gruppe von Menschen, 700 Meter unter der Erde ein großes Loch zu graben, eine extragroße Kristallkugel hineinzulegen, 20.000 Tonnen einer äußerst durchsichtigen Flüssigkeit in die Kristallkugel zu gießen und die Wände der Kugel mit schillernden goldenen Elementen zu bedecken. Wenn Sie in der frühen Bauphase den Höhleneingang betreten, werden Sie feststellen, dass der Eingang der Höhle mit dichtem Nebel gefüllt ist. Wenn Sie in den dichten Nebel gehen, schlagen Ihnen Hitzewellen vermischt mit Wasserdampf ins Gesicht. Der lange Tunnel gleicht einem großen Dampfer und die hohe Luftfeuchtigkeit erstickt die Haut der Menschen. Das Sonnenlicht wird schnell hinter Ihnen blockiert und eine kleine Seilbahn wie eine Achterbahn bringt Sie tief in den Untergrund – all dies sind keine Szenen aus der Zauberwelt oder Fantasy-Romanen, sondern die Versuchsbasis chinesischer Wissenschaftler zum Einfangen „kosmischer Geisterteilchen“.

Schematische Darstellung der Detektorstruktur des Jiangmen Neutrino Experiments. Quelle: Jiangmen Collaboration Group

Was sind kosmische Geisterteilchen?

Das „Geisterteilchen“ wird eigentlich Neutrino genannt.

Im Jahr 1930 stellte der Physiker Pauli die Hypothese eines ungeladenen, schwach wechselwirkenden Teilchens auf und nannte dieses mögliche Teilchen Neutrino. Im Jahr 1956 gelang es zwei amerikanischen Physikern, Neutrinos nachzuweisen. Für diese Leistung wurde ihnen 1995 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Warum sind Neutrinos wichtig? Weil es „1/4“ unserer materiellen Welt ausmacht.

Berge, Flüsse, Felsen, Erde, alles Leben, das jemals auf der Erde gelebt hat und sogar die Sterne im Universum – alle uns bekannte Materie, sichtbare und unsichtbare, besteht aus 12 Grundteilchen. Unter diesen Elementarteilchen gibt es drei verschiedene Arten von Neutrinos: das Elektron-Neutrino (e), das Myon-Neutrino (μ) und das Tau-Neutrino (τ).

Es gibt drei Arten von Neutrinos. Bild aus dem Internet

Neutrinos sind sehr träge. Sie sind elektrisch neutral und reagieren nicht leicht mit Materie. Wenn zehn Billionen Neutrinos die Erde durchdringen, wird nur ein einziges Neutrino mit der Erde interagieren. Tatsächlich durchqueren Billionen Neutrinos pro Sekunde unseren Körper mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, doch wir spüren davon überhaupt nichts, was auch an dieser Eigenschaft der Neutrinos liegt.

„Die wichtigste physikalische Entdeckung in der chinesischen Geschichte“

Neutrinos können nicht nur unsichtbar werden, sondern sich auch verwandeln. Die wechselseitige Umwandlung der drei Neutrinoarten wird in der Wissenschaft als „Neutrinooszillation“ bezeichnet. Um eine anschaulichere Metapher zu verwenden: Die drei Arten von Neutrinos, e, μ und τ, sind wie Ihre Lehrer in Mathematik, Chinesisch und Englisch. Stellen Sie sich vor, Ihr Mathematiklehrer unterrichtet eine Klasse und wird plötzlich zum Chinesischlehrer. Während der Chinesischlehrer weiterhin unterrichtet, wird er Englischlehrer. Diese Änderung ist eine Neutrinooszillation.

Das kanadische SNO-Experiment und das japanische Super-Kamiokande-Experiment deckten das Muster auf, dass Mathematiklehrer zu Chinesischlehrern und chinesische Lehrer zu Englischlehrern werden. Diese beiden Experimente wurden gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik 2015 ausgezeichnet.

Die nächste Frage ist also: Kann ein Mathematiklehrer nicht direkt Englischlehrer werden?

Gibt es einen dritten Modus der Neutrinoschwingung?

Um das Jahr 2003 wurden auf internationaler Ebene acht experimentelle Ansätze zur Erkennung der dritten Schwingungsart von Neutrinos vorgeschlagen, darunter auch das chinesische Daya-Bay-Experiment. Schließlich wurden drei Pläne umgesetzt, nämlich Daya Bay aus China, RENO aus Südkorea und Double Chooz aus Frankreich. Wer als Erster die dritte Schwingungsmode von Neutrinos messen kann, gewinnt diesen weltweiten Wettbewerb der Physik.

Das Daya-Bay-Experiment hat einzigartige Vorteile: Da Neutrinos nicht leicht einzufangen sind, benötigen Wissenschaftler, wenn sie sie untersuchen wollen, eine sehr starke Neutrinoquelle, um kontinuierlich Neutrinos zu produzieren, und in der Nähe des Detektors des Daya-Bay-Experiments gibt es eine leistungsstarke Neutrinoquelle.

Der zentrale Detektor des Daya Bay Neutrino Experiments . Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Neutrinoquellen können natürlich oder künstlich sein. Beispielsweise ist die Sonne eine extrem große Neutrinoquelle. Darüber hinaus erzeugen Supernova-Explosionen und kosmische Strahlung, die die Atmosphäre durchdringt, eine große Anzahl von Neutrinos. Auch die Erde strahlt Neutrinos aus. Sogar wir selbst sind eine Quelle von Neutrinos, da der menschliche Körper Kalium enthält und beim Zerfall von Kaliumisotopen Neutrinos entstehen. Zusätzlich zu diesen natürlichen Neutrinoquellen gibt es auch künstliche Neutrinoquellen wie etwa die Kernspaltung in Reaktoren und die Strahlführung in Beschleunigern.

Das Daya-Bay-Experiment befindet sich unweit des Reaktors des Kernkraftwerks Daya Bay und kann die durch die Kernspaltung im Reaktor erzeugten Neutrinos gut empfangen. Aufgrund der besonderen Merkmale der Daya-Bucht entschieden sich die Amerikaner, die beiden im Inland entworfenen Pläne aufzugeben und schlossen sich dem chinesischen Daya-Bay-Versuchsteam mit 34 Millionen US-Dollar an Baumitteln und Wissenschaftlern an.

Zu dieser Zeit lieferten sich alle Länder einen Wettlauf gegen die Zeit, um Versuchsstationen zu bauen und Daten zu sammeln, damit diese bedeutende physikalische Errungenschaft vor anderen Ländern veröffentlicht werden konnte.

Im August 2011 begann das südkoreanische RENO mit der Datenerfassung, während im chinesischen Daya-Bay-Experiment ursprünglich der Bau von acht Detektoren geplant war, von denen zu diesem Zeitpunkt jedoch nur sechs gebaut worden waren. Da Südkorea bereits frühzeitig mit der Datenerfassung begonnen hat, besteht die Möglichkeit, dass die Ergebnisse jederzeit bekannt gegeben werden. Das chinesische Daya Bay Experimental Research Team handelte entschlossen und beschloss, das Erkennungsgerät vorzeitig in Betrieb zu nehmen!

Zwei Monate später maß das chinesische Daya-Bay-Experiment den dritten Schwingungsmodus von Neutrinos und gab dieses wichtige Ergebnis bekannt. Das Magazin Science stufte es als einen der zehn größten wissenschaftlichen Durchbrüche in diesem Jahr weltweit ein und bezeichnete die Leistung als „die bedeutendste physikalische Entdeckung in der Geschichte Chinas“.

Vollständig lokalisiert! Die neue Geschichte beginnt 700 Meter unter der Erde

Im Jahr 2020 wurde das Daya-Bay-Experiment ehrenvoll eingestellt, aber es gibt immer noch viele ungelöste Rätsel um Neutrinos.

Tatsächlich begann das wissenschaftliche Forschungsteam bereits während der Konstruktion des Daya-Bay-Experiments, über die Neutrinoforschung nach Daya Bay nachzudenken. Nach wiederholten Diskussionen und Überprüfungen durch wissenschaftliche Forscher wurde Dashishan in der Stadt Kaiping, Jiangmen, Guangdong schließlich als neue Neutrino-Experimentierbasis ausgewählt und „Jiangmen-Experiment“ genannt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Massen der drei Neutrinoarten zu sortieren. Mithilfe dieses Experiments können Wissenschaftler auch von Supernovas, der Erde und der Sonne emittierte Neutrinos untersuchen, nach inerten Neutrinos suchen, den Protonenzerfall untersuchen usw.

Um Neutrinos zu untersuchen, ist es notwendig, die Interferenzen durch kosmische Strahlung und Licht so weit wie möglich abzuschirmen, damit der Detektor die Spuren von Neutrinos besser erkennen kann. Der Detektor wurde 700 Meter unter der Erde errichtet, um Gestein und Boden zur Abschirmung anderer kosmischer Strahlen zu nutzen. Natürlich reicht es nicht aus, nur andere kosmische Strahlen abzuschirmen. wir brauchen auch „Augen“, um die Spuren von Neutrinos zu erfassen.

Das Prinzip der Neutrinoerfassung ist ganz einfach: Forscher injizieren „flüssigen Szintillator“ in eine riesige Kristallkugel 700 Meter unter der Erde. Wenn Neutrinos in dieser Flüssigkeit reagieren, fluoresziert die Flüssigkeit; Anschließend erfassen die um die Kugel verstreuten „Jagdaugen“ – das Detektionsgerät „Photomultiplier Tube“ – diese schwachen Lichtsignale und wandeln sie in elektrische Signale um, die vom Datenerfassungssystem gespeichert und den Forschern zur Analyse und Untersuchung zur Verfügung gestellt werden.

„Hunting Eye“-Photomultiplier-Röhre. Foto von Liu Yuexiang

Photomultiplier-Röhren sind die zentralen Detektionsgeräte der chinesischen Daya-Bay- und Jiangmen-Experimente. Als das chinesische Team im Jahr 2003 das Daya-Bay-Experiment vorschlug, konnte das Land lediglich 2-Zoll-Photomultiplierröhren produzieren, die ein kleines Kaliber, eine geringe Empfindlichkeit und eine schlechte Chargenstabilität aufwiesen und damit bei weitem nicht den experimentellen Anforderungen entsprachen. Zu dieser Zeit hatte die japanische Hamamatsu Corporation nahezu ein internationales Monopol auf die Produktion hochwertiger Photomultiplier-Röhren. Die fast 3.000 8-Zoll-Photomultiplierröhren, die im Daya-Bay-Experiment verwendet wurden, wurden von den Vereinigten Staaten von Japan gekauft.

Wenn beim Jiangmen-Experiment die Neutrino-Massenbewertung gemessen werden soll, können die weltweit vorhandenen photoelektrischen Detektionsgeräte, einschließlich der Produkte der Hamamatsu Corporation in Japan, die Anforderungen des neuen Experiments nicht erfüllen. Darüber hinaus sind die Photomultiplier-Röhren von Hamamatsu teuer, mehr als doppelt so teuer wie erwartet. Wir haben nicht die Initiative, den Preis auszuhandeln. Der Schlüssel zum Erfolg des Jiangmen-Experiments war die Frage, ob es uns gelingt, leistungsstarke Photomultiplier-Röhren zu entwickeln.

Um das Jahr 2009 herum beschloss das chinesische wissenschaftliche Forschungsteam, so schnell wie möglich mit der Entwicklung eigener Photomultiplier-Röhren in China zu beginnen, um den experimentellen Anforderungen gerecht zu werden, das Monopol zu brechen, die experimentellen Kosten zu senken und die Initiative bei der externen Beschaffung zu ergreifen.

Damals entwarfen Wang Yifang, der leitende Wissenschaftler des Daya-Bay-Experiments, und mehrere Kollegen ein Konzeptdiagramm einer Photomultiplierröhre, deren Designkonzept sich völlig von dem traditionell international üblichen Schema unterschied. Nach mehrmaligen Diskussionen und Überprüfungen kamen wir zu dem Schluss, dass diese Idee zwar sehr gewagt, aber grundsätzlich umsetzbar ist!

Hebeplattform für organische Glaskugeln Quelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Ende 2011 wurde eine vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitete und aus mehreren Einheiten, darunter Northern Night Vision, bestehende Kooperationsgruppe gegründet und die Vorforschungen zu neuen Photomultiplier-Röhren offiziell gestartet.

In den letzten Jahren bereiste das Kooperationsteam fast die Hälfte Chinas auf der Suche nach Unternehmen, die bereit sind, bei Forschung und Entwicklung zusammenzuarbeiten. Sie haben von Grund auf neue Prozessbedingungen und Formeln erforscht, die Arbeitsgewohnheiten der Arbeiter geändert und technische Schwierigkeiten überwunden, darunter die Aufrechterhaltung einer hohen Quanteneffizienz über die gesamte Fläche, die Entwicklung großer Glashüllen und Vakuumverpackungen. Im Jahr 2015 entwickelte China schließlich vor der festgelegten Frist einen Prototyp einer Photomultiplier-Röhre, dessen technische Schlüsselindikatoren ein international fortgeschrittenes Niveau erreichten und über völlig unabhängige Rechte am geistigen Eigentum verfügten. Damit wurde eine solide Grundlage für den Einstieg in die Entwicklung und Massenproduktion gelegt.

Hocheffiziente 20-Zoll-Photomultiplierröhren wurden nie international in Massenproduktion hergestellt und es gibt keine Garantie für die Zuverlässigkeit des Produkts. Um die Sicherheit der Lieferkette zu gewährleisten, entschied das Forschungsteam schließlich, dass die chinesische Northern Night Vision Company für die Produktion von 15.000 Photomultiplier-Röhren und die japanische Hamamatsu Company für die Produktion von 5.000 Photomultiplier-Röhren verantwortlich sein würde. Schließlich maß die Jiangmen-Kooperationsgruppe die durchschnittliche Erkennungseffizienz der von Northern Night Vision hergestellten Photomultiplier-Röhren mit 30,1 %; und der von Hamamatsu in Japan betrug 28,5 %, beide Werte waren besser als die experimentelle Anforderung von 27 %.

Man kann stolz darauf sein, dass alle Hauptmaterialien des Jiangmen-Neutrinodetektors in hoher Qualität im Inland hergestellt werden, was die Kosten des Experiments erheblich senkt.

Edelstahlbehälter für die transparenteste Flüssigkeit. Foto von Liu Yuexiang

Warum müssen wir Grundlagenforschung betreiben?

Von Newtons Gesetzen bis zur Quantenmechanik, von Schwarzen Löchern bis zu Gravitationswellen – die gesamte Menschheit hat schon immer an den Errungenschaften der Grundlagenforschung teilgehabt. Warum müssen wir in diesem Fall selbst grundlegende wissenschaftliche Forschung betreiben, wenn wir einfach darauf warten können, dass andere die Forschung übernehmen?

In einem Interview mit Guokr Science gab Wang Yifang hierzu folgende Antwort: „Bei allen technischen Erfindungen und wissenschaftlichen Errungenschaften hat der Erstentdecker gewisse Vorteile. Wenn man sich nur an den Errungenschaften anderer erfreut, werden andere auf einen herabsehen und einen seines Reichtums berauben. Wer sich das modernste Wissen aneignet, verfügt automatisch auch über die modernste Technologie. Mit der modernsten Technologie wird der Rest von selbst folgen.“

Angesichts der Weite des Universums ist die Menschheitsgeschichte extrem kurz. Selbst auf der Erde, die nur noch wenige Milliarden Jahre existieren wird, beträgt diese Zeitspanne nur eine Sekunde pro Tag. Doch in nur dieser kurzen Sekunde haben die Menschen eine großartige Zivilisation geschaffen und suchen ständig nach den ultimativen Antworten auf die Fragen des Universums.

„Das Verständnis der magischen und wunderbaren Welt der Teilchenphysik ist eines der höchsten Zeichen der Entwicklung der menschlichen Zivilisation“, sagte Wang Yifang. Das Jiangmen-Neutrino-Experiment ist eines der wichtigsten grundlegenden wissenschaftlichen Experimente Chinas und eine weitere himmlische Frage, die China in das weite Universum geschickt hat. Wenn wir die Geheimnisse der Neutrinos besser verstehen, können wir möglicherweise einen ernsten und soliden Schritt auf unserer Reise zur Erforschung des riesigen Universums machen.

Der Spatenstich für das Jiangmen-Neutrino-Experiment erfolgte im Jahr 2015 und die Fertigstellung ist für dieses Jahr geplant. Die am Anfang des Artikels beschriebene Szene existiert nicht mehr. Die Lüftungskanäle stellen sicher, dass Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Basis den experimentellen Anforderungen entsprechen.

700 Meter unter der Erde freuen wir uns darauf, die Stimme Chinas zu hören.

[Danke an Frau Zhao Jie, Associate Researcher für Neutrinoforschung am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, für die Überprüfung und die Anregungen zu diesem Artikel]