Neues Bauwerk auf dem MPIK-Campus

Entwicklungsarbeiten für zukünftiges Gammastrahlenobservatorium

Auf dem MPIK-Gelände zwischen den Experimentierhallen und der Lagerhalle steht seit Kurzem ein großer Tank. Was hat es mit diesem „Gewässersimulationstank“ auf sich? Er hat mit dem geplanten Gammastrahlenobservatorium SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) zu tun, das hoch in den Anden astronomische Beobachtungen machen soll, und zwar bei den höchsten Energien, mit einem sehr großen Blickfeld und rund um die Uhr. Als südliches Gegenstück zu HAWC in Mexiko (und LHAASO in China) wird es wie dieses direkt die Schauerteilchen nachweisen, die entstehen, wenn hochenergetische Gammastrahlen auf die Atmosphäre treffen. Der Nachweis erfolgt durch Messung des von den Schauerteilchen in Wasser erzeugtes Lichts.

SWGO soll wesentlich größer und empfindlicher werden als HAWC, das aus einer Anordnung von 300 dicht an dicht stehenden großen und darum herum 350 lockerer stehenden kleineren Wassertanks besteht. Als weitere Neuerung ist geplant, die Tanks in zwei Lagen zu unterteilen, um besser zwischen Gammastrahlen und geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung unterscheiden zu können. Der innere Bereich von SWGO soll außerdem dichter besetzt und feiner segmentiert werden als bei HAWC, um den Teilchenschauer detailreicher zu erfassen und damit Energie und Ursprungsrichtung des Gammastrahls genauer zu bestimmen. Bei der angepeilten Fläche von 80000 m2 braucht man rund 5000 Detektoreinheiten im Kern; dazu kommen etwa 1000 im Außenbereich. Neben einzelnen Tanks wie bei HAWC erwägen die SWGO-Mitglieder, wie bei LHAASO riesige, mit Planen unterteilte und überdachte „Schwimmbecken“ zu bauen.

Da stellt sich die Frage, wie das in einer abgelegenen Gegend auf über 4400 m Höhe zu realisieren wäre. Große Tanks wie auch die Alternativen dazu brauchen solide Fundamente und stabile Wände, um dem Wasserdruck standzuhalten; falls in der Nähe nicht genügend Wasser vorhanden ist, muss es mit Tankwagen zum Experiment transportiert werden – alles machbar aber teuer.

Ein eleganter Weg – ist er gangbar?

Eine attraktive Möglichkeit wäre daher, einen natürlichen See zu nutzen: dessen Wasser könnte man vor Ort reinigen, in eine Art Ballons füllen, diese verschließen und als Detektoreinheiten im See schweben lassen. Solche Ballons müssen keinem Druck standhalten, können also aus dünnem Material bestehen, sollen sich aber nicht zu stark durch Wellen verformen. Außerdem müssen sie lichtdicht und zugleich innen weiß oder sogar reflektierend sein, damit der darin montierte Lichtsensor das von durchfliegenden Schauerteilchen im Wasser erzeugte Tscherenkow-Licht möglichst verlustfrei registrieren kann.

Hier kommt der 11 m durchmessende und 6 m hohe Gewässersimulationstank ins Spiel: er soll helfen herauszufinden, ob und wenn ja wie dieses Konzept funktioniert. Er simuliert einen See mit etwa 550 Tonnen Wasser; das Gerüst darum herum ermöglicht es den Experimentatoren, „Versuchsballons“ im oben offenen Tank zu versenken. „Wir wollen verschiedene Ballonhüllen-Materialien mit und ohne Versteifungen testen, sowohl im Hinblick auf ihre Stabilität, als auch auf ihre optischen Eigenschaften. Deshalb statten wir die Ballons mit Lichtsensoren aus – Photomultiplier des ehemaligen Double-Chooz-Neutrinoexperiments,“ erläutert Felix Werner, Wissenschaftler in der Abteilung von Jim Hinton. Hochspannungsversorgung und Ausleseelektronik sind in einem Container neben dem Tank untergebracht. Ein zweiter Container enthält eine Wasserumwälz- und Filteranlage, die den „See“ in leichte Bewegung versetzen kann.

Markus Klaiber, Leiter der Betriebstechnik, verrät Details über die Bauweise: „Der Tank besteht aus Stahlplatten, die Ring für Ring von oben nach unten verschraubt und abgedichtet wurden; ein innen angebrachtes Hebewerk hob die Konstruktion jeweils nach Fertigstellung eines Rings an. So war kein Kran erforderlich und die Monteure mussten nicht auf ein Gerüst steigen.“

„Sollten unsere Experimente im Gewässersimulationstank erfolgreich verlaufen, gilt es in einem nächsten Schritt herauszufinden, wie man Tausende solcher Detektoreinheiten in einem realen See verankern und als wissenschaftliches Experiment betreiben könnte – und das ist eine nicht zu unterschätzende Herausforderung,“ blickt Jim Hinton, der auch Sprecher der SWGO-Kollaboration ist, in die Zukunft. Die Entwicklungsphase von SWGO soll Ende 2022 abgeschlossen und der Standort des Observatoriums sowie die Vorgehensweise beim Bau und Betrieb der Detektoreinheiten festgelegt sein.


Kontakt

Prof. Dr. Jim Hinton
Tel: +49 6221 516-140
E-Mail: jim.hintonmpi-hd.mpgde

Dr. Felix Werner
Tel: +49 6221 516-143
E-Mail: felix.wernermpi-hd.mpgde


200729_SWGO_TANK_Foehr_0119_20_23_HDR_Meldung.jpg
Der fertige „Gewässersimulationstank“ aus der Vogelperspektive.

852_1273_Meldung.jpg
Der oberste Ring ist fertig und angehoben, damit der zweite Ring montiert werden kann.