DUNE

DUNE — Deep Underground Neutrino Experiment — ist das größte Neutrinovorhaben, das derzeit gebaut wird. Ein Strahl vom Fermilab bei Chicago soll 1.300 Kilometer weit nach South Dakota geschickt und dort in einer ehemaligen Goldmine empfangen werden.

Die Anlage

Am Fermilab entsteht mit LBNF eine neue Strahlanlage. Sie soll zunächst mit 1,2 Megawatt arbeiten und später auf mehr als das Doppelte ausgebaut werden — das wäre der intensivste Neutrinostrahl der Welt. Ein Nahdetektorkomplex misst dort, was losgeschickt wird.

Der Ferndetektor liegt 1.480 Meter tief in der Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota — in denselben Stollen, in denen einst Raymond Davis das Homestake-Experiment betrieb. Für die Kavernen wurden über 800.000 Tonnen Gestein herausgebrochen; der Aushub war 2024 abgeschlossen.

Geplant sind vier Module mit je rund 17.000 Tonnen flüssigem Argon, gekühlt auf etwa minus 186 Grad Celsius.

Warum flüssiges Argon

Frühere Detektoren wie MINOS bestanden aus Stahl und Szintillator. Sie sehen im Grunde nur, wohin ein Myon gelaufen ist — eine Spur, eine Richtung, eine Energie.

Eine Zeitprojektionskammer mit flüssigem Argon leistet mehr. Durchquert ein geladenes Teilchen das Argon, hinterlässt es eine Spur freier Elektronen. Ein elektrisches Feld zieht diese über mehrere Meter zu einer Drahtebene. Aus dem Ort auf der Ebene und der Ankunftszeit rekonstruiert man die Bahn in drei Dimensionen — mit einer Auflösung im Millimeterbereich.

Das Ergebnis gleicht einer Photographie des Ereignisses. Man erkennt nicht nur, dass etwas geschehen ist, sondern welche Teilchen beteiligt waren und wie sie sich verzweigt haben.

Der Preis dafür ist die Reinheit: Schon Spuren von Sauerstoff fangen die driftenden Elektronen ab. Das Argon muss auf wenige Teile pro Billion sauber gehalten werden.

Die drei Fragen

Verletzen Neutrinos die CP-Symmetrie? Verhalten sich Neutrinos und Antineutrinos verschieden, wäre das ein Baustein zur Erklärung, warum es im Weltall Materie gibt. T2K hat erste Hinweise geliefert; DUNE soll die Frage entscheiden.

Die lange Strecke ist dabei kein Selbstzweck. Über 1.300 Kilometer wirkt der MSW-Effekt so stark, dass sich sein Beitrag sauber von der gesuchten CP-Verletzung trennen lässt — bei kürzeren Strecken vermischen sich beide Einflüsse.

Welche Neutrinomasse ist die größte? Derselbe Effekt beantwortet zugleich die Frage nach der Reihenfolge der Neutrinomassen.

Zerfällt das Proton? Große vereinheitlichte Theorien sagen einen extrem seltenen Protonenzerfall voraus. Flüssiges Argon ist auf bestimmte Zerfallskanäle empfindlicher als Wasser, weshalb DUNE und Hyper-Kamiokande sich hier ergänzen.

Dazu kommt eine Bereitschaft, die sich nicht planen lässt: Explodiert in unserer Galaxie eine Supernova, würde DUNE tausende Neutrinos daraus auffangen — und zwar bevorzugt Elektron-Neutrinos, die Wasserdetektoren schlechter sehen. Beide Bauarten zusammen ergäben ein vollständigeres Bild des Kernkollapses als jede für sich.

Stand

Die Kavernen sind ausgebrochen, der Aufbau der ersten Module läuft. Am CERN hat der Prototyp ProtoDUNE die Technik im Maßstab mehrerer hundert Tonnen erprobt — mit zwei verschiedenen Bauformen der Driftkammer, von denen jede in einem der ersten beiden Module zum Einsatz kommt.

Nach derzeitiger Planung soll der Messbetrieb gegen Ende dieses Jahrzehnts beginnen. Bei Vorhaben dieser Größe verschieben sich Termine erfahrungsgemäß. Die Kollaboration umfasst über 1.400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus mehr als 30 Ländern.

Quellen

DUNE-Kollaboration: Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment, European Physical Journal C 80, 978 (2020).
Fermilab: LBNF/DUNE — Projektbeschreibung und Bauzustand.