Kolossale Höhlen tief unter der Erde für das DUNE Neutrino-Experiment ausgegraben.

Bauarbeiter haben zwei kolossale Höhlen geschaffen, die jeweils über 500 Fuß lang und etwa sieben Stockwerke hoch sind, für die riesigen Teilchendetektor-Module des Deep Underground Neutrino Experiments, das von Fermilab gehostet wird. Eine dritte Höhle wird für die Betriebsausrüstung des Detektors genutzt. Credit: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility

Die Fertigstellung der massiven unterirdischen Höhlen für das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ebnet den Weg für bahnbrechende Neutrino-Forschung mit einem internationalen Team von über 1.400 Wissenschaftlern und Ingenieuren.

Die Ausgrabungsarbeiter haben damit begonnen, das zukünftige Zuhause der riesigen Teilchendetektoren für das internationale Deep Underground Neutrino Experiment auszuarbeiten. Die drei kolossalen Höhlen befinden sich eine Meile unter der Oberfläche und bilden das Herzstück einer neuen Forschungseinrichtung, die einen unterirdischen Bereich von der Größe von acht Fußballfeldern umfasst.

Gehostet vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, werden DUNE-Wissenschaftler das Verhalten mysteriöser Teilchen namens Neutrinos untersuchen, um einige der größten Fragen über unser Universum zu lösen. Warum besteht unser Universum aus Materie? Wie entsteht ein schwarzes Loch durch den Tod eines Sterns? Sind Neutrinos mit Dunkler Materie oder anderen unentdeckten Teilchen verbunden?

Die Höhlen bieten Platz für vier große Neutrino-Detektoren - jeder etwa so groß wie ein siebenstöckiges Gebäude (siehe 2-minütige Animation unten). Die Detektoren werden mit flüssigem Argon gefüllt und die seltene Wechselwirkung von Neutrinos mit der transparenten Flüssigkeit aufzeichnen.

DUNE wird ein klareres Bild vom Universum und seiner Funktionsweise liefern. DUNE-Wissenschaftler werden drei wichtige wissenschaftliche Ziele verfolgen: herausfinden, ob Neutrinos der Grund sind, warum das Universum aus Materie besteht; nach subatomaren Phänomenen suchen, die Einsteins Traum von der Vereinheitlichung der Kräfte verwirklichen könnten; und nach Neutrinos Ausschau halten, die aus einem explodierenden Stern austreten und möglicherweise die Geburt eines Neutronensterns oder eines schwarzen Lochs beobachten.

Trillionen von Neutrinos durchqueren unseren Körper jede Sekunde, ohne dass wir es überhaupt merken. Mit DUNE werden Wissenschaftler nach Neutrinos von explodierenden Sternen suchen und das Verhalten eines Neutrinostrahls untersuchen, der im Fermilab in der Nähe von Chicago, etwa 800 Meilen östlich der unterirdischen Höhlen, erzeugt wird. Der Strahl, der von der intensivsten Neutrinquelle der Welt erzeugt wird, wird sich direkt durch Erde und Gestein von Fermilab zu den DUNE-Detektoren in South Dakota bewegen. Für den Weg der Neutrinos ist kein Tunnel erforderlich.

"Die Fertigstellung der Ausgrabung dieser riesigen Höhlen ist ein bedeutender Erfolg für dieses Projekt", sagte der US-Projektdirektor Chris Mossey. "Mit dem Abschluss dieses Schritts wird das Projekt auf die Installation der Detektoren vorbereitet, die später in diesem Jahr beginnen soll, und bringt uns dem Ziel, diese weltweit erstklassige unterirdische Einrichtung Realität werden zu lassen, einen Schritt näher."

Ein Förderband transportierte fast 800.000 Tonnen Gestein, das eine Meile unter der Erde abgebaut wurde, in den Open Cut in Lead, South Dakota. Credit: Stephen Kenny, Sanford Underground Research Facility

Ingenieur-, Bau- und Ausgrabungsteams arbeiten seit 2021 in 4.850 Fuß Tiefe am Sanford Underground Research Facility, dem Standort des South Dakota-Teils von DUNE. Bauarbeiter demontierten schwere Bergbaugeräte und transportierten sie stückweise über einen vorhandenen Schacht unter die Erde. Unter Tage montierten Arbeiter die Ausrüstung wieder zusammen, und fast zwei Jahre lang wurden Felsen gesprengt und entfernt. Fast 800.000 Tonnen Gestein wurden abgebaut und aus unterirdischen Bereichen in eine expansive ehemalige Bergbaufläche über der Erde, bekannt als Open Cut, transportiert.

In Kürze werden die Arbeiter beginnen, die Höhlen mit den für die Installation der DUNE-Detektoren und den täglichen Betrieb der Forschungseinrichtung erforderlichen Systemen auszurüsten. Im Laufe dieses Jahres plant das Projektteam mit der Installation der isolierten Stahlstruktur zu beginnen, die den ersten Neutrinodetektor halten wird. Das Ziel ist es, den ersten Detektor vor Ende 2028 in Betrieb zu haben.

Eine Vogelperspektive auf eine der großen Höhlen in South Dakota, etwa so hoch wie ein siebenstöckiges Gebäude. Hier sollen große Teilchendetektoren für das Deep Underground Neutrino Experiment platziert werden, um das Verhalten von Neutrinos zu untersuchen. Die DUNE-Detektoren werden voraussichtlich das größte unterirdische Kryogsystem der Welt sein. Credit: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility

“The completion of the three large caverns and all of the interconnecting drifts marks the end of a really big dig. The excavation contractor maintained an exemplary safety record working over a million hours without a lost-time accident. That’s a major achievement in this heavy construction industry,” said Fermilab’s Michael Gemelli, who managed the excavation of the caverns by Thyssen Mining. “The success of this phase of the project can be attributed to the safe, dedicated work of the excavation workers, the multi-disciplined backgrounds of the project engineers and support personnel. What a remarkable achievement and milestone for this international project.”

DUNE scientists are eager to start the installation of the particle detectors. The DUNE collaboration, which includes more than 1,400 scientists and engineers from over 200 institutions in 36 countries, has successfully tested the technology and assembly process for the first detector. Mass production of its components has begun. Testing of the technologies underlying both detectors is underway using particle beams at the European laboratory CERN.