Untergrundlabor in China Der Berg der Physiker

80 000 Arbeiter haben in nur drei Jahren die höchste Talsperre der Welt im Bett des Yalong-Flusses errichtet. Sobald sie fertig ist, soll nebenan ein Untergrundlabor für Physiker entstehen.

Im Hochland von Sichuan will China ein einzigartiges Untergrundlabor für Teilchenphysik bauen - ein Paradies für Physiker. Das bringt westliche Forscher mächtig in Zugzwang: Eine Kooperation wäre hochpolitisch.

Von Patrick Illinger

Wer verstehen will, mit welcher Entschlossenheit die aufstrebende Supermacht China monströse Technikprojekte vorantreibt, der sollte in der Provinz Sichuan von der Kreisstadt Xichang aus die Landstraße nach Norden nehmen. Ein paar Dutzend Kilometer weiter kommt am Ende des Tals eine Startrampe für Satellitenraketen des Typs Langer Marsch in Sicht. Doch das ist nicht der technische Superlativ, den man in dieser Gegend bestaunen kann. Hierzu biegt man nach Osten auf eine für 40 Tonnen schwere Lastwagen präparierte Straße ab, die sich über Serpentinen ins bergige Hinterland schlängelt und am Ende in einen 18 Kilometer langen, schnurgeraden Tunnel mündet. Dieser durchsticht ein mehr als 4000 Meter hohes Gebirgsmassiv. Auf der anderen Seite trifft man auf ein gewaltiges, menschengemachtes Bauwerk aus 4,3 Millionen Kubikmeter Beton.

Innerhalb von nur drei Jahren haben dort mehr als 80 000 Bauarbeiter den höchsten Staudamm der Welt in die Schlucht des Yalong-Flusses betoniert. Der Yalong windet hier sich an der Grenze zwischen Tibet und Sichuan durch eine 150 Kilometer lange U-förmige Schleife, um weiter südlich in Chinas größten Strom, den Yangtse, zu münden. Der 305 Meter hohe Jinping-1-Damm staut das Wasser des Flusses auf und leitet einen großen Teil davon durch Röhren quer durch das Gebirge, um das U abzukürzen. Mit mehr als 100 Kilometer pro Stunde rauscht das Wasser durch vier 11,4 Meter dicke Leitungen, stürzt am Ende durch ein 200-Meter-Gefälle und treibt ein halbes Dutzend Turbinen an. Zwei Stromgeber laufen bereits, und wenn die Anlage fertig ist, wird die zuständige Wasserbaufirma Yalong Hydro alleine mit diesem Staudamm 3600 Megawatt Strom produzieren - so viel wie drei große Kernkraftwerke. In den kommenden Jahren sollen dann entlang des gesamten Yalong-Flusses, bis hinauf ins tibetische Hochland, 20 weitere Dämme entstehen. Am Ende wird man dem Fluss 36 Gigawatt Strom abtrotzen, was einem Prozent des aktuellen Weltbedarfs entspricht. Es ist mehr, als der berühmte Drei-Schluchten-Staudamm liefert.

Hier entsteht das Paradies, wie es sich Physiker vorstellen: acht gigantische Laborhallen

Und wenn man schon dabei ist: ein paar weitere Löcher ins Gebirge zu bohren, ist kein Problem. Wenn die Jinping-Talsperre im Herbst komplett sein wird, so hat es der zuständige Wasserbau-Chef mit dem befreundeten Vizepräsidenten der Tsinghua-Universität in Peking verabredet, dann wird man quasi als Fingerübung noch ein Untergrundlabor für Teilchenphysiker in das Gestein fräsen. Das Bohrgerät steht ja sowieso herum.

Mal eben ein Untergrundlabor? In den Augen von Physikern entsteht hier ein Paradies. Acht Laborhallen sollen 2400 Meter unter der Erdoberfläche entstehen, jede 124 Meter lang, bestens abgeschirmt von der störenden kosmischen Strahlung aus dem Weltraum. Dieses Labor, von dem bereits eine 40 Meter lange Experimentierhalle existiert, wird das tiefste und größte der Welt sein. Dagegen wirkt das europäische Untergrundlabor im mittelitalienischen Gran-Sasso-Gebirge wie ein Spielzimmer. Die für Teilchenphysiker lästige Höhenstrahlung ist unter dem Gebirge von Sichuan noch 200 Mal schwächer als unter dem Gran Sasso.

Derart tief unter der Erde dringen kaum mehr Partikel vor, wie sie an der Erdoberfläche ständig aus dem Weltraum regnen und auch jeden menschlichen Körper permanent durchdringen. Ist man diesen Strom längst bekannter Teilchen, Elektronen, Müonen, Pionen, und viele andere erst mal los, kann man sich auf die Suche nach den offenen Rätseln der Physik machen und nach extrem seltenen Dingen fahnden, zum Beispiel einem Teilchen, das Gestein mühelos durchdringt und erklären könnte, woraus die aus dem Weltraum allgegenwärtige, aber noch unerklärte Dunkle Materie besteht. Oder warum im All so viel mehr Materie zu finden ist als von der im Grunde gleichberechtigten Antimaterie.

An solchen Fragen forschen westliche Physiker seit Langem, so zum Beispiel eine amerikanisch geführte Kollaboration namens "Majorana" und ein europäisches Experiment unter dem Gran Sasso namens "Gerda". Um exotischen, noch unbekannten Teilchen auf die Spur zu kommen, nutzen sie Detektoren aus hochreinem Germanium. Das Material ist so wie Silizium ein Halbleiter. Tiefgekühlt wirkt es wie eine Diode. Es fließt dann trotz angelegter Spannung kein Strom durch das Germanium. Jede Störung im Kristallgitter des Materials, ein hindurchsausendes elektrisch geladenes Partikel zum Beispiel, unterbricht jedoch die Sperrfunktion, und es entsteht ein kleiner elektrischer Impuls.

"Wissen Sie", sagt der chinesische Professor, "Geld ist in diesem Land kein Problem."

Würde man einen solchen Detektor an der Erdoberfläche betreiben, würde er aufgrund der permanent aus dem Weltraum herabprasselnden Störstrahlung ein einziges Dauerfeuer liefern. Doch tief im Untergrund ist jeder elektrische Impuls ein möglicher Hinweis auf ganz besondere Teilchen, womöglich auf neue Physik. So hofft man, dass irgendwann ein Partikel der Dunklen Materie mit dem Germanium kollidiert und sich in Form verräterischer Signale im Detektor zeigt.

Eine weitere Suche betrifft einen möglichen seltenen Zerfall von Atomkernen, den neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall. Dieser würde beweisen, was ein italienischer Physiker namens Ettore Majorana in den 1930er-Jahren mit einer verwegenen Theorie errechnete: Demnach können Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sein. Das wiederum könnte das derzeit noch rätselhafte Missverhältnis von Materie und Antimaterie im Universum erklären.

Doch was auch immer Physiker suchen: Germanium-Detektoren brauchen absolute Perfektion, penible Reinheit und modernste Elektronik. "Schon die Atemluft eines Rauchers in der Nähe des Experiments könnte zu viel Polonium verbreiten", erklärt Iris Abt, Expertin für Germanium-Detektoren am Münchner Max-Planck-Institut für Physik. Jeder Zentimeter Kabel, jedes Stück Elektronik an solch einem Experiment muss auf winzigste radioaktive Verunreinigungen geprüft werden. Mindestens an diesem Punkt brauchen die Chinesen, Staudamm hin oder her, noch die Erfahrung und Unterstützung ausländischer Kollegen. Idealerweise genau jener Kollegen, die bei Majorana oder Gerda bereits mit Germanium arbeiten. Und hier wird es kniffelig, ja sogar hochpolitisch.

Amerikanische und europäische Physiker, die mit Germanium-Detektoren die Teilchenwelt erkunden, haben vor einer Weile ihre weitere Zusammenarbeit fest verabredet. In einem gemeinsamen Memorandum ist die künftige Zusammenlegung ihrer Gruppen und der mögliche Bau eines noch nie da gewesenen Detektors aus 1000 Kilogramm hochreinem Germanium vorgesehen. Dessen Bau dürfte mindestens 500 Millionen Euro kosten. In Forscherkreisen gilt eine solche Verabredung so viel wie eine Verlobung. Doch das transatlantische Versprechen leidet nun unter der chinesischen Verlockung, was sich kürzlich bei einem Treffen weltweit führender Physiker in Peking und Sichuan offen zeigte. Namhafte Experten, unter anderem aus dem Münchner Max-Planck-Institut, sind mittlerweile fest entschlossen, den geplanten Megadetektor aus Germanium in China zu realisieren. Am Institut wird bereits Chinesisch gelehrt, und Iris Abt hat den Kollegen in Peking konkrete Verbesserungsvorschläge für die Grundrisse der Untergrundhallen in Sichuan gemacht. "Wir sind alle hier, weil wir die Chance sehen, dass die Chinesen das nötige Geld aufbringen", sagt die Münchner Projektleiterin.

Plötzlich gibt es eine noch aufregendere Party. Bricht man die ursprüngliche Verabredung?

Die Amerikaner hingegen stecken in einer schmerzhaften Zwickmühle, was manchem US-Physiker während des Treffens in China deutlich anzusehen war. Man werde sehen, murmelte Steven Elliot vom amerikanischen Forschungslabor Los Alamos, während er beim Festessen in der Tsinghua-Universität ein bisschen Seetang mit Ente auf seinen Teller hebt. Letztlich gehe es um die Sache, aber der Ort des Labors sei doch arg abgelegen, abgelegener gehe es ja kaum. Am nächsten Tag erfährt er dann, dass es von diesem Monat an eine Direktverbindung zwischen San Francisco und Chengdu geben wird, was Sichuan so erreichbar macht wie Europa. Und als der US-Professor seinen chinesischen Kollegen klarmachen will, was so ein tonnenschwerer Detektor am Ende kosten werde, bekommt er eine gut gemeinte, aber auch vielsagende Antwort: "Wissen Sie, Geld ist in diesem Land kein Problem."

Hinzu kommt die geopolitische Dimension. Es ist kaum vorstellbar, dass in den USA Fördergeld vergeben wird, damit amerikanische Wissenschaftler als Gäste bei einem Experiment dieser Größenordnung in China mitmachen. Und darüber muss sich jeder Forscher aus dem Westen im Klaren sein: Die Führungsrolle in den Bergen von Sichuan werden die Chinesen einnehmen. Das zeigt schon die Tatsache, dass sie von möglichen künftigen Kollaborationspartnern aus dem Westen keine Budget-Zuschüsse haben wollen, wie es in Großforschungseinrichtungen wie dem Cern bei Genf üblich ist. China ist einzig und allein auf die Erfahrung und Kenntnisse westlicher Wissenschaftler erpicht. Doch auch das kann natürlich in ein erfolgreiches Experiment münden. Wer mit den beteiligten Wissenschaftlern der Tsinghua-Universität spricht, der spürt, dass es um eine aufrichtig gemeinte Einladung geht, und nicht um einen schrägen Deal.

Einen weiteren herben Rückschlag für die verbliebene Hoffnung der Amerikaner, das ambitionierte Germanium-Experiment doch noch im eigenen Land zu realisieren, erlebten die US-Physiker während des Besuchs in Peking und Sichuan. Der weltweit fähigste Experte für die Züchtung hochreiner Germanium-Kristalle ist derzeit noch Mitglied der US-geführten Majorana-Forschungsgruppe. Doch nun hat der Physiker erklärt, seine Arbeit in China weiterzuführen. Klar ist auch, weshalb seine Berührungsängste geringer ausfallen: Dongming Mei ist zwar an der University of South Dakota beschäftigt und in Amerika mit einer Green Card legitimiert. Aber er ist vor allem chinesischer Staatsbürger.

Schwer im Magen liegen den Amerikanern nach eigenen Angaben auch Erfahrungen, die sie bei der Zusammenarbeit mit Teilchenphysikern in China bereits gesammelt haben. Daya Bay hieß ein chinesisch geführtes Experiment, das Elementarteilchen in der Umgebung von Kernkraftwerken vermessen hat und die Massendifferenz verschiedener sogenannter Neutrinos ermitteln konnte. Es gilt als der bisher größte Erfolg chinesischer Teilchenphysiker. Doch US-Kollegen sind nachhaltig erbost, weil sie wesentliche Vorarbeiten und technisches Know-how beitrugen, die Physiker in Asien aber den Ruhm abschöpften.

Es besteht kein Zweifel: Nach dem Aufstieg zur High-Tech- und Raumfahrtnation will China nun in die wissenschaftliche Luxus-Klasse vordringen, in die Elementarteilchenphysik. Mittlerweile ist sogar die Rede davon, einen Nachfolger der riesigen Beschleunigeranlage des Cern in China zu bauen. Doch zunächst geht es um das Untergrundlabor am Jinping-Staudamm. Der beherzte Schritt in die Elementarteilchenforschung bringt dabei die gewohnten Hierarchien der traditionell kostspieligen Teilchenphysik ins Wanken. Wurde noch vor 20 Jahren der Wettkampf zwischen US-Laboren wie Fermilab und dem nach Baubeginn gestoppten SSC sowie dem europäischen Cern ausgetragen, ist nun die Frage: Wer läuft als Erster nach China über? Das Schwellenland von einst beschränkt sich nicht mehr auf einen Gaststatus bei Großforschungseinrichtungen im Westen, etwa am Cern, wo vor 25 Jahren noch einige bedrohte regimekritische Studenten aus China in Wohngemeinschaften solidarischer Westphysiker versteckt wurden.

Die Dynamik, die China mittlerweile einbringt, könnte man vergleichen mit einer Silvester-Party, zu der sich zwei Parteien verabredet haben, und dann lockt jemand mit der Aussicht auf ein noch aufregenderes Fest. Bricht man die ursprüngliche Verabredung? Unter Teilchenphysikern versuchen die einen - die Europäer - derzeit die anderen - die Amerikaner - zu überzeugen, gemeinsam ins Reich der Mitte aufzubrechen. Doch so wie es aussieht, ist dieser Weg für die Amerikaner nicht gangbar.

"Mir ist vor allem daran gelegen, dass das Experiment in die Gänge kommt", betont die Münchner Physikerin Iris Abt. Doch auch ihr ist klar, dass vieles in China nicht mit westlichen Maßstäben gemessen werden kann. Das zeigt sich deutlich schon bei der Hin- und Rückfahrt zwischen Xichang und dem riesigen Jinping-Staudamm. Am Wegrand verbrennen Kleinbauern Abfall auf offenem Feuer, und Ochsen ziehen den Pflug durch kleine Äcker.