U(ZH)N/EARTH

Die Antworten auf die grössten Fragen des Universums könnten wir tief unter der Erde finden. Auch inspirierende Kunst kann unter Tage geschaffen werden.

Tief unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota (USA), 1600 Meter unter Tage, suchen Forschenden nach den Antworten auf die grössten Rätsel des Universums. Als Artist in Residence am SURF erschuf Prof. Gina Gibson Kunstwerke, die von der aussergewöhnlichen Umgebung der Forschungseinrichtung inspiriert sind und die Suche nach dem Unsichtbaren visualisieren.

Ein Teil ihrer Werke wurden im Science Pavilion UZH im Rahmen einer Ausstellung vom Herbst 2025 bis Frühling 2026 ausgestellt.
 

Zusammenarbeit

Die Ausstellung wurde usprünglich in Zusammenarbeit von Prof. Penning (UZH), Prof. Gibson (SURF) und dem University of Michigan Museum of Natural History geschaffen. 

Wissenschhaft – 1600 Meter unter Tage

Auf den Spuren der Rätsel des Universums

Die Homestake Mine wurde 1876 in was heute South Dakota, USA in den Black Hills gegründet. Es war die tiefste Goldmine der westlichen Welt, bis zu 2400 Metern. 2007 wurde die Mine stillgelegt und zu SURF umgewandelt.

SURF ist eine Forschungseinrichtung, an der unter anderem Experimente zur Erforschung Dunkler Materie und Neutrinos durchgeführt werden. Tief unter der Erde sind die Experimente gut abgeschirmt von natürlicher Radioaktivität und von Teilchen, die z.B. von der Sonne kommen, sog. kosmischer Höhenstrahlung. Diese Strahlungen können sonst die empfindlichen Messungen stören.

Auf der Suche nach Dunkler Materie

Im Universum existiert etwa fünfmal mehr Dunkle Materie (DM) als reguläre Materie. Die genaue Natur der DM ist eines der grössten Rätsel der heutigen Physik. Da DM nur schwach wechselwirkt, müssen Detektoren für ihren Nachweis sehr empfindlich und deshalb tief unter der Erde sein.

Neutrinos, die leicht sind und ebenfalls sehr schwach wechselwirken, werden ebenfalls am SURF untersucht. Andere Wissenschaftler:innen stellen in einem Teilchenbeschleuniger seltene Isotope her, um die Entwicklung der Elemente besser zu verstehen, oder untersuchen Bakterien, die es nur tief unter der Erde gibt.
 

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Zusammensetzung des heutigen Universums. © Scientific Visualization Studio, NASA.

INTERESSANT ZU WISSEN An der Erdoberfläche fliegt jede Sekunde etwa ein Teilchen der kosmischen Strahlung durch Ihre Hand. Tief unten in der Mine kommt nur ein Teilchen etwa alle drei Monate an. 

Physik und Kunst – Artist in Residence

Jedes Jahr bietet das SURF Artist-in-Residence-Programm (AiR) einem Künstler oder einer Künstlerin die Möglichkeit, sich in einem mehrwöchigen Aufenthalt von der einmaligen faszinierenden Infrastruktur und der Wissenschaft inspirieren zu lassen. Prof. Gina Gibson war 2021 die erste Künstlerin, die als AiR am SURF wohnte. Ein Teil ihrer Werke wurden vom Herbst 2025 bis Frühling 2026 im Science Pavilion UZH ausgestellt.
 

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Prof. Gina Gibson unter Tage. © Matt Kapust, Sanford Underground Research Facility.
 

Gina Gibson ist eine international ausstellende Künstlerin und Dozentin. Sie ist Professorin für Grafikdesign an der Black Hills State University in Spearfish, South Dakota (USA). 

Im Jahr 2019 war sie die erste 'Artist in Residence (AiR)' der Sanford Underground Research Facility (SURF). Ihre Arbeit als AiR wurde inspiriert von dem Standort und seiner einzigartigen Geschichte sowie der Wissenschaft, die am SURF stattfindet.

Inspiration und Recherche

Um sich auf die Zeit am SURF vorzubereiten, recherchierte Gina Gibson so viel sie konnte: Gina Gibson wollte möglichst viel über die wissenschaftlichen Experimente am SURF wissen. So las sie Bücher zum Beispiel über Physik, angefangen mit „ABC der Teilchenphysik“, aber auch Bücher über Feynman und Hawking.

Zudem vertiefte sie sich in Büchern über die Black Hills und die Amerikanischen Ureinwohner, um ihr Glauben und ihren Bezug zu dem Ort möglichst zu respektieren. 
 

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Inspiration und Recherche

Gina Gibson @ SURF

Gina Gibson verbrachte einige Zeit am SURF, sowohl ober- als auch unterirdisch. Dabei wurden Sicherheitsaspekte, die zur Forschung in der Mine gehören, zu einem wesentlichen Teil ihrer täglichen Arbeit.
 

Unter Tage tragen alle Mitarbeiter*innen des SURF sogenannte Dog Tags – Erkennungsmarken mit ihrem Namen. Bei der Arbeit unter Tage dienen sie der Identifikation allfälliger Opfer bei einem Unfall. Solche Erkennungsmarken werden auch im Militär getragen. 

Die ausgewählten Kunststücke

Im Rahmen der Ausstellung U(ZH)N/EARTH  wurden einige Kunstwerke von Gina Gibson ausgewählt und im Science Pavilion UZH ausgestellt.

Sanford Underground Research Facility (SURF) ist das tiefste Untergrundlabor in den USA mit Einrichtungen, die fast 1600 Meter unter die Erde reichen.

Suche nach DM

In direkten Suchen, wie z.B. an Experimenten wie XENON in Gran Sasso, oder Lux-Zeplin am SURF, wird direkt nach Wechselwirkungen zwischen DM und gewöhnlicher Materie gesucht.

Indirekte Suchen verwenden Teleskope auf der Erde und im Weltall, um die Wechselwirkung von DM mit regulärer Materie und eventuell sich selbst nachzuweisen. Weiter erlauben uns astrophysikalische Beobachtungen die Effekte von DM sowohl in der Bewegung von Sternen und Galaxien, sowie im frühen Universum, direkt nach dem Urknall zu sehen.

An Beschleunigern können bei entsprechender Energie, alle möglichen Teilchen erzeugt und nachgewiesen werden. An den Experimenten am LHC am CERN wird intensiv nach neuen Teilchen gesucht, was Rückschlüsse auf die mögliche Natur der DM erlaubt.

LUX – Zeplin Experiment (LZ)

Am LZ-Experiment beschäftigen sich Forscher*innen mit der direkten Suche nach Dunkler Materie.

Das Herzstück des Experiments ist ein Tank, gefüllt mit 7 Tonnen flüssigem Xenon, in welchem nach Signalen von Dunkler Materie gesucht wird. Damit dieses empfindliche Experiment eine möglichst „ruhige“ Umgebung hat, findet es 1600 Meter unter der Erde statt.

Auf der Erdoberfläche würde die natürliche radioaktive Strahlung das Resultat verfälschen. 

Wie funktioniert das LZ-Experiment?

Beim LZ-Experiment suchen Forscher*innen nach Dunklen Materie Teilchen, die sehr schwer sind und nur schwach mit anderen Teilchen (zum Beispiel Protonen) interagieren. Man nennt sie WIMPs (weakly interactive massive particles).

Damit eine gewisse Möglichkeit besteht, dass eine Wechselwirkung passiert braucht es sehr viele Teilchen, deshalb wird flüssiges Xenon, ein sehr schweres Element, als Medium benutzt.

Bei einer Wechselwirkung von Dunkler Materie und einem Xenon-Atom würde Folgendes passieren: 

Das Xenon wird angeregt, beim Abregen sendet es einen Lichtblitz aus (S1) und es werden Elektronen freigesetzt. Die freigewordenen Elektronen wandern dank eines elektrischen Feldes an die Oberseite des Tanks und produzieren einen zweiten Lichtblitz (S2).

Je nach Masse und Art eines Teilchens gibt es andere Kombinationen von diesen beiden Lichtblitzen. WIMPs haben eine einzigartige Signatur und könnten so identifiziert werden. 

© Illustration von Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory.

Warum ist LZ unter der Erde?

Die Erde wird permanent bombardiert von Teilchen aus dem Weltall, z. B. von der Sonne. Treffen diese auf die Atmosphäre entstehen durch den Zusammenprall mit Atomen viele neue, zum Teil sehr hochenergetische Teilchen - die kosmische Höhenstrahlung. Diese können die Messungen des empfindlichen Experiments stören.
 

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SURF Mine. © Sanford Lab.

Aus diesem Grund ist das Experiment 1600 Meter tief unter der Erde: In dieser Tiefe kommen nur noch vereinzelt Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung an. 

Zusätzlich ist der Detektor aus einem Material mit sehr geringer natürlicher Strahlung gebaut.

Was hat LZ mit Bananen zu tun? 
Die Umgebung des LZ-Experiments muss sehr strahlenrein und gut abgeschirmt gebaut werden. Selbst ein kleines Stückchen einer Banane (1/750‘000) wäre als Hintergrundstrahlung messbar!

Warum Bananen? 
Bananen enthalten Kalium. Kalium ist ein sehr stabiles Element, welches sehr selten einen radioaktiven Zerfall macht – es gibt in einer Banane etwa einen Zerfall in 75 Minuten. Wenn ein solcher Zerfall stattfindet, könnte dies mit dem empfindlichen Detektor gemessen werden.

Tesseract – Neues Experiment

Prof. Penning ist Gründungsmitglied eines neuartigen Experiments für Dunkle Materie mit geringer Masse, namens Tesseract. Das Experiment soll im unterirdischen Labor Modane im Frejus-Tunnel in der Nähe von Genf installiert werden. Das Experiment ergänzt das LZ-Experiment, welches nach grossen Massen sucht.

Im Experiment werden Gitterschwingungen aufgespürt, die durch die Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie mit dem Zielmaterial verursacht werden. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, werden viele verschiedene Zielmaterialien verwendet, z.B. flüssiges Helium oder Kristalle.
 

Majorana Demonstrator

Das Majorana Demonstrator Experiment versucht der Frage auf den Grund zu gehen, warum überhaupt Materie im Universum existiert.
 
Nach der Urknall-Theorie entstanden im frühen Universum aus Energie Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen. Bei ihrem Zusammentreffen vernichtet sich aber Materie und Antimaterie und es bleibt nur Energie übrig. Theoretisch müsste also das Universum heute nur aus Energie bestehen. 

Wir beobachten aber heute ein Universum mit Materie und keiner Antimaterie. Irgendein unbekanntes, verborgenes Gesetz der Natur muss im frühen Universum den Ausschlag zugunsten der Materie gegeben haben.
 

Majorana Demonstrator Experiment. © Sanford Lab.

Homestake-Experiment

Das Homestake-Experiment ist ein Pionier-Experiment in der Neutrinophysik, welches in den 1960er Jahren unter der Leitung von Ray Davis Jr. aufgebaut und bis 1994 betrieben wurde. 

Mit seinem Experiment war Ray Davis Jr. der erste, der solare Neutrinos detektieren und zählen konnte. Jedoch zählte das Experiment nur etwa ein Drittel der von den Theoretikern vorhergesagten Anzahl an Neutrinos. Dies wurde bekannt als das „solare Neutrinoproblem“. 

In den 1990er Jahren wurde das Resultat schliesslich durch unterirdische Experimente in Japan und Kanada bestätigt. 2002 wurde Davis für seine Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
 

Das Dune Experiment

Unterirdische Forschungseinrichtung. © Sanford Lab.

Mit dem Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) wird versucht, die Geheimnisse der Neutrinos und deren Rolle im Universum zu entschlüsseln.

DUNE wird aus zwei Neutrinodetektoren bestehen. Der eine Detektor steht am Fermilab und wird Neutrinos in der Nähe der Neutrinoquelle aufzeichnen. Ein zweiter, viel grösserer Detektor wird im Sanford Underground Research Laboratory in South Dakota installiert und Neutrinos in einer Entfernung von 1300 km messen. Da Neutrinos die Erde fast ungehindert durchqueren können, müssen die beiden Detektoren nicht mit einem Tunnel verbunden werden. 

Ein wichtiger Bestandteil des Experiments wird die Neutrinoquelle „Long Baseline Neutrino Facililty“ sein, welche die Neutrinos erzeugt. Mit DUNE können aber auch natürliche Neutrinos, z.B. von der Sonne oder Supernovas beobachtet werden.

Zwei Prototypen von Detektoren befinden sich am CERN. Der erste erfasst seit September 2018 Daten, der zweite befindet sich noch im Aufbau.

Zukünftige Experimente

Forscher*innen der Universität Zürich arbeiten mit Kolleg*innen aus aller Welt zusammen, um noch empfindlichere Detektoren für zukünftige Experimente zu bauen.
 

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Gruppenfoto Physikforscher:innen der Universität Zürich

Mikrobielle Forschung

Sogar in 1600 Meter Tiefe gedeiht das Leben: Mehr als 9000 verschiedene Arten von Mikroorganismen befinden sich im Gestein, in der Erde oder im Wasser. Diese werden von Forscher*innen am SURF untersucht. Die Organismen leben in sogenannten Biofilmen im Gestein oder Wasser, welches sich unter der Erde ansammelt.
 

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Forschende entnehmen Bodenprobe am SURF. © Sanford Lab.

 

Mikroorganismen, die unter extremen Bedingungen leben können, nennt man Extremophile. Wissenschaftler*innen des SURF wollen herausfinden, wie diese Mikroorganismen überleben, wie sie atmen oder was sie essen. Dazu werden Proben aus Bereichen gesammelt, die sich in Temperatur, in chemischen und geologischen Eigenschaften unterscheiden. 

Eindrücke aus der Vermissage im Sommer 2025 im Science Pavilion UZH