05.07.2019

Beschleuniger unter Tage

Im Dresdner Felsenkellerlabor ging am 4. Juli ein Teilchenbeschleuniger in Betrieb, mit dem Forscher die Vorgänge im Inneren der Sonne und anderer Sterne aufklären möchten.

Abgeschirmt von 45 Metern Felsgestein, befindet sich in zwei Stollen der ehemaligen Dresdner Felsenkeller-Brauerei das erste Beschleunigerlabor unter Tage in Deutschland. Am 4. Juli nahm der Teilchenbeschleuniger nach zwei Jahren Bauzeit während einer feierlichen Eröffnung offiziell seinen Betrieb auf. Das Felsenkellerlabor ist weltweit die dritte Forschungsstätte, an der sich nukleare Fusionsreaktionen untersuchen lassen. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und die TU Dresden haben das Labor gemeinsam errichtet und werden es als gleichberechtigte Partner betreiben.

„Der Untertage-Beschleuniger im Felsenkeller wird ein entscheidendes Instrument sein, um die Entstehung der Elemente im Universum zu verstehen und bessere Vorhersagen über den Neutrinofluss von der Sonne zu treffen“, erklärte Physik-Nobelpreisträger Takaaki Kajita von der Universität Tokio zur Eröffnung des Ionenbeschleunigers. Ziel der Experimente ist es zu verstehen, wie im Inneren von Sternen Atomkerne miteinander verschmelzen und dabei schwerere Elemente entstehen. Unter anderem geht es darum, die Reaktionsraten bei den dort herrschenden Temperaturen genauer zu bestimmen. Nur dann lassen sich die bestehenden Modelle der Sternentwicklung verbessern.

Gemeinsam mit Daniel Bemmerer, Gerhard Rödel, Thomas Cowan und Kai Zuber (von...
Gemeinsam mit Daniel Bemmerer, Gerhard Rödel, Thomas Cowan und Kai Zuber (von links) nahm Physik-Nobelpreisträger Takaaki Kajita (Mitte) den Teilchenbeschleuniger im Dresdner Felsenkeller in Betrieb. (Bild: HZDR / A. Wirsig)

Um präzisere Vorhersagen über die Zahl der von der Sonne ausgesendeten Neutrinos vor ihrer Oszillation zu machen, wollen die Forscherinnen und Forscher die Fusionsreaktionen aus dem Inneren der Sonne im Labor nachstellen. Weil diese Reaktionen aber sehr langsam ablaufen, ist eine besondere Abschirmung notwendig. Das Stollengestein bildet einen natürlichen Schild gegen die kosmische Höhenstrahlung, welche die Erde im Sekundentakt mit Teilchen bombardiert. „Da das unsere Messungen verzerrt, können wir die Experimente nicht an der Erdoberfläche durchführen“, sagt Kai Zuber von der TU Dresden, der wissenschaftliche Leiter des Labors.

Für die Experimente werden im Felsenkellerlabor künftig Protonen, Alphateilchen und Kohlenstoffionen auf bis zu 5 MeV beschleunigt. Hierfür kommt ein acht Meter langer und zehn Tonnen schwerer Pelletron-Beschleuniger zum Einsatz, den das HZDR 2012 gekauft und anschließend umgerüstet hat. So erhielt er beispielsweise eine zusätzliche Ionenquelle für Wasserstoff- und Heliumkerne sowie eine neue Steuerelektronik. Hochreine Germanium-Detektoren, die dominant von der TU Dresden angeschafft wurden, dienen dazu, die Reaktionsprodukte zu vermessen. „Wir sind damit in der Lage, fundamentale Prozesse, die in allen Sternen ablaufen, zu simulieren“, erläutert Daniel Bemmerer, der technische Leiter des Felsenkellerlabors vom HZDR.

In zwei Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei...
In zwei Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei haben das HZDR und die TU Dresden Deutschlands einzigen Untertage-Beschleuniger aufgebaut, um damit die Vorgänge im Inneren von Sternen nachzustellen. (Bild: HZDR / A. Wirsig)

In Europa waren solche Experimente bislang einzig im italienischen Gran-Sasso-Labor möglich, wo das Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) unter einer 1,5 Kilometer dicken Felsschicht seit rund 25 Jahren in Betrieb ist. Das dortige Experiment zielt darauf ab, Kernreaktionen zu untersuchen, die kurz nach dem Urknall stattfanden oder in der Sonne ablaufen. Der Beschleuniger im Felsenkeller kann Atomkerne auf zehnmal höhere Energie beschleunigen und wird die Messungen an LUNA ergänzen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt können sich um Strahlzeit am neuen Beschleuniger bewerben. „Da diese Maschine Wissenschaftlern aus aller Welt offen steht, kann die gesamte Gemeinschaft der nuklearen Astrophysik von ihr profitieren. Als Neutrino- und Gravitationswellenphysiker freue ich mich daher sehr auf neue Daten aus dem Felsenkeller-Untergrund-Teilchenbeschleuniger“, unterstrich Kajita in seiner Ansprache. Die Dresdner Wissenschaftler nutzen nur einen Teil der Strahlzeit, um der auswärtigen Community Zugang zu ihrem Labor zu gewähren. Da am Anfang noch keine externen Wissenschaftler vor Ort sind, wollen die Dresdner zunächst selbst die Entstehung von Sauerstoff-16-Kernen und das Heliumbrennen untersuchen – letzteres, um die solaren Neutrinoflüsse genauer berechnen zu können.

Maike Pfalz

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