Astroteilchenphysik enthüllt ihre "Glorreichen Sieben"

Die sieben Infrastrukturen sind in einer neuen „European strategy for astroparticle physics“ aufgeführt, die vom EU-finanzierten ASPERA-Projekt (Astroparticle European Research Area) erarbeitet wurde. ASPERA vereint 18 nationale Förderstellen, die in 13 europäischen Ländern für die Astroteilchenphysik zuständig sind.

Mit dem neu entstandenen Bereich der Astroteilchenphysik sollen die Eigenschaften und Wechselbeziehungen derjenigen Teilchen erkundet und untersucht werden, die unser Universum ausmachen. In diesem Forschungsbereich treffen Astrophysik, Kosmologie und Teilchenphysik zusammen.

Unter anderem ist die Astroteilchenphysik daran interessiert, das Phänomen der dunklen Materie zu erforschen, die Eigenschaften von Neutrinos und ihre Rolle bei der kosmischen Evolution zu untersuchen, die Herkunft kosmischer Strahlen zu ermitteln und mehr über Gravitationswellen zu erfahren.

In den vergangenen Jahren konnte man große Fortschritte auf diesem Gebiet verzeichnen, aber für die Beantwortung der wirklich wichtigen Fragen sind umfassende Forschungsinfrastrukturen erforderlich, deren Errichtung für ein einziges Land zu kostspielig wäre. „Wir stehen kurz vor dem Durchbruch zu wichtigen Entdeckungen“, meint Christian Spiering von DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Vorsitzender des Roadmap-Ausschusses.

Ganz oben auf der Wunschliste der Physiker steht ein Cherenkov Telescope Array (CTA), mit dem hochenergetische kosmische Strahlen aufgespürt werden könnten. Pläne für diese Infrastruktur sind bereits relativ weit vorangeschritten; der Aufbau könnte schon 2012 beginnen. Dafür muss man aber möglichst zügig mit der Entwicklung des CTA vorankommen. Zudem müssen potenzielle Standorte ausgewählt werden.

Ein anderes Projekt in einem etwas fortgeschritteneren Stadium ist das KM3NeT, das auch in der vor zwei Jahren vom ESFRI (Europäisches Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen) erarbeiteten Europäischen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen hervorgehoben wurde. Bei KM3NeT wird es sich letztlich um einen Array optischer Sensoren handeln, der am Boden des Mittelmeers über einen Quadratkilometer ausgebreitet ist. Dank Fördermitteln aus dem Siebten Rahmenprogramm (RP7) der EU ist die KM3NeT-Vorbereitungsphase bereits in vollem Gange.

Die Sensoren sind so ausgelegt, dass sie Neutrinos aufspüren, also die rätselhaften Partikel, deren Erkennung äußerst schwierig ist, die jedoch für unsere Existenz an sich verantwortlich sein könnten. Unter anderem haben Neutrinos eine wichtige Funktion beim Auslösen der Explosion sterbender Sterne, in deren Zuge schwere Elemente im Kosmos freigesetzt werden. Und ohne diese schweren Elemente würden wir gar nicht existieren.

Neutrinos sind auch Gegenstand zweier weiterer Infrastrukturen, die von ASPERA angeregt wurden. Bei einer von ihnen handelt es sich um einen Detektor, mit dem die Untersuchung der elementaren Eigenschaften und der Masse von Neutrinos ermöglicht würde. Mit dem zweiten Infrastrukturelement, einem riesigen unterirdischen Observatorium, würden die Physiker nach Beweisen für einen Protonenzerfall suchen können. Bereits jetzt wird an einer Konzeptstudie für diese Infrastruktur im Rahmen des EU-finanzierten LAGUNA-Projektes (Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics) gearbeitet.

Dunkle Materie steht im Mittelpunkt einer anderen auf der Liste geführten Infrastruktur: Zwar macht sie 95% des Universums aus, bisher weiß man jedoch nur sehr wenig darüber. Den ASPERA-Partnern zufolge sind zur Erkennung und Untersuchung dunkler Materie neue, hochempfindliche Detektoren erforderlich.

Letztlich wird in der Strategie darauf hingewiesen, wie wichtig es ist, einen großen unterirdischen Gravitationswellendetektor aufzustellen. Schon Einstein hatte die Existenz von Gravitationswellen vorausgesagt. Aber wenngleich sie seitdem indirekt aufgespürt worden sind, konnte noch niemand einen direkten experimentellen Nachweis ihrer Existenz vorbringen. Eine vom RP7 finanzierte Konzeptstudie für das sogenannte „Einstein-Teleskop“ wurde bereits in die Wege geleitet.

Die Gesamtkosten dieser sieben Infrastrukturen wird auf mindestens 1 Milliarde Euro geschätzt, weswegen für den Aufbau und Unterhalt eine internationale Zusammenarbeit unerlässlich ist. In den kommenden Jahren arbeiten die Partner des ASPERA-Projektes an der Einrichtung eines Konsortiums aus inner- und außereuropäischen Förderstellen, um diese ehrgeizigen Pläne zu verwirklichen.

„Die rechtzeitige Umsetzung der 'Glorreichen Sieben' ist eine große Herausforderung“, meint ASPERA-Koordinator Professor Stavros Katsanevas vom Nationalen wissenschaftlichen Forschungsinstitut Frankreichs (CNRS – Centre national de la recherche scientifique). „Wir sind jedoch zuversichtlich, dass, nicht wie im Film 'Die glorreichen Sieben', niemand ums Leben kommen wird. Schließlich werden diese Schwerpunkte von europäischen Organisationen und von ApPEC (Astroparticle Physics European Coordination) unterstützt, während sie gleichzeitig auch auf anderen Kontinenten interessant werden. Wichtig ist die Koordination, aber auch, dass wir die Kosten nicht nur innerhalb Europas aufteilen, sondern weltweit.“

Mit dem Aufbau der fortgeschrittensten Projekte könnte in nur vier Jahren begonnen werden. Darüber hinaus bestehen viele der aufgeführten Infrastrukturen aus Sensorarrays oder Detektoren, sodass die Arbeit bereits dann beginnen kann, wenn die ersten Instrumente aufgestellt worden sind. Je mehr Sensoren hinzugefügt werden, desto empfindlicher wird dann der jeweilige Array.

Das ASPERA-Projekt wird über die Haushaltslinie „Koordinierung von Forschungsmaßnahmen“ des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanziert.