Case Study Opera Gran Sasso Leica TDA5005 richtet den grössten Fotoapparat der Welt aus

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1 Case Study Opera Gran Sasso Leica TDA5005 richtet den grössten Fotoapparat der Welt aus

2 150 Physiker, 36 Institutionen in 13 Ländern und ein Budget von 120 Millionen Euro Opera ist ein internationales Projekt in Zusammenarbeit mit dem CERN und unter Beteiligung des CNRS (Centre National de Recherche Scientifique), in dessen Rahmen auf der Erde unter bekannten Bedingungen das Naturphänomen der Transformation von Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos reproduziert werden soll. Wichtigstes Ziel ist es, ein theoretisches Modell zu bestätigen, das die Theorie der Vereinheitlichung der Physik unterstützen würde. 7 m 6.7 m Diese Forschungsarbeit mag esoterisch erscheinen, aber sie ist in erster Linie ein praktisches Experiment. Sie ist mit grossen technologischen Herausforderungen verbunden, um eine Präzision im Mikrometerbereich bei einem Target von Tonnen zu erreichen. Und gleichzeitig geht es um die Frage, woraus die Materie besteht und welche Rolle diese mysteriösen Partikel in den ersten Momenten des Universums gespielt haben können, erläutert Dario Auterio, Physiker am Institut für Kernphysik von Lyon (CNRS) und Leiter der Neutrino-Forschungsgruppe. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde ein Neutrino-Detektor im nationalen Laboratorium von Gran Sasso installiert, dem größten unterirdischen Labor der Welt mit einer Fläche von m². Ein Ort, der wegen der Meter Felsen gewählt wurde, die über ihm ruhen und den Detektor vor kosmischen Strahlen schützen, die die Messungen verfälschen würden. Die von der Forschergruppe gejagten Neutrinos wurden speziell zu diesem Zweck im CERN erzeugt, der europäischen Organisation für Kernforschung, deren Laboratorien sich unter der französisch-schweizerischen Grenze in der Nähe von Genf befinden. Dort schiesst ein Beschleuniger Protonen auf ein Graphit-Target. Die dabei entstehenden Partikel werden dann in einer Vakuumröhre von einem Kilometer Länge in Richtung des Detektors geleitet, wo sie zerfallen und Milliarden von Neutrinos pro Sekunde erzeugen. Diese Myon-Neutrinos starten dann geradlinig durch die Erde. Denn das Neutrino ist ein echtes Phantom. In der Regel durchquert es die ganze Erde mit Lichtgeschwindigkeit. So kommen die Neutrinos vom CERN in 2,4 Millisekunden am Detektor an, nachdem sie 730 km Felsen durchquert haben. Die meisten dieser Neutrinos befinden sich dann noch im selben Zustand wie bei ihrer Entstehung. Doch einige von ihnen haben ihre Beschaffenheit verändert sie sind zu Tau-Neutrions geworden. Dario Auterio erläutert: Diese seltene Transformation ist das Ergebnis einer Art spontaner Oszillation zwischen den beiden Zuständen. Doch wenngleich die jüngste Theorie diese Oszillation gut erklärt, konnten wir sie bisher nur durch einen Mangel an Myon-Neutrinos im Vergleich zu einer bekannten Quelle von Neutrinos nachweisen. Um ganz sicher zu sein und sie richtig untersuchen zu können, brauchen wir den direkten Beweis für diese Oszillation durch die Erkennung von Tau-Neutrinos. Das mag wie ein einfaches Experiment aussehen, aber die Oszillation setzt voraus, dass das Neutrino eine Masse hat, und sei sie noch so gering, während man lange Zeit der Auffassung war, dass es keine Masse hat, so wie das Photon. Das ist eine ganz erhebliche Ergänzung der Vorstellung, die wir von Elementarteilchen und von den fundamentalen Gesetzen der Natur haben. Das Neutrino ist darüber

3 Oben: einer der Ziegel, der in dem riesigen Rahmen installiert werden soll, der auf dem Foto in der Mitte noch leer ist. Rechts: Der Roboter, der die Ziegel präzise positionieren wird. hinaus mit dem großen Geheimnis der Asymmetrie Materie-Antimaterie im Universum verknüpft. Zurzeit handelt es sich bei den ersten erkannten Neutrinos um myonische, aber wir haben noch ein paar Jahre, um unsere Wette zu gewinnen. Für Opera wurde im unterirdischen Laboratorium von Gran Sasso ein spezieller Stollen angelegt, um dort den Detektor oder riesigen Fotoapparat unterzubringen, auf den der Strahl vom CERN auftrifft. Dieser Detektor wird ermöglichen, die Entstehung von Tau-Neutrinos, die durch die Interaktion des Strahls vom CERN mit dem Detektor entstehen, zu verfolgen und zu fotografieren. Zwei Magnete und Ziegel (eine Mauer aus 52 x 64 Ziegeln), die insgesamt Tonnen wiegen, bilden den Detektor. Jeder Ziegel besteht aus 56 Schichten von 1 mm Dicke, die abwechselnd aus Blei und einem fotografischen Film bestehen. Angesichts der Empfindlichkeit der Filme wurde vor Ort im unterirdischen Laboratorium von Gran Sasso eine Fertigungsanlage für Ziegel eingerichtet. Hier werden fotografische Filme und Bleiplatten zu diesen Ziegeln zusammengesetzt, die die Grundlage für den Detektor bilden. Pro Tag können maximal dieser Ziegel hergestellt werden. In ihnen spielen sich die Ereignisse ab, die fotografiert und dann von den Forschenden analysiert werden. Bei seiner Errichtung, die mehrere Jahre gedauert hat, war äusserste Präzision bei seiner Positionierung und der Montage seiner Komponenten gefordert. Die Suche nach einer geeigneten Messvorrichtung erfolgte in mehreren Ausschreibungen mit einem sehr präzisen Pflichtenheft: Die Messvorrichtung musste nicht nur ermöglichen, den Detektor zu installieren und ihn dabei sehr präzise auszurichten, sondern sollte auch eine aktive Rolle bei der Endkontrolle spielen, indem sie die Position aller Bauteile vermessen würde, um während des Baus des Detektors kontinuierlich Korrekturen an der Software vorzunehmen. Denn während der Anbringung der Ziegel wird die Tragkonstruktion unter einer Last von mehreren Tausend Tonnen immer schwerer. Die für den Tracker, die Ziegel und die Tragkonstruktion geforderte Präzision wurde auf 1 mm festgelegt, die für den Tracker der Magneten auf 0,3 mm und das alles bei einem Volumen von 10 x 10 x 20 m! Für den Messbedarf der Anlage musste ein Mehrzweckinstrument gekauft werden, das sich einfach bedienen lässt und mehrere Missionen zu erfüllen hat. Im Rahmen einer Zusammenarbeit des Teams des CERN für die Ausrichtung und der örtlichen Vertreter von Hexagon Metrology wurden Testreihen durchgeführt, um die Verwendung der Laserstation Leica TDA5005 als das Messinstrument zu bestätigen, das alle Anforderungen des Pflichtenheftes erfüllte. Die Analyse der Kosten für eine Messdienstleistung in dieser Grössenordnung (täglich über einen Zeitraum von zwei Jahren während der Installation der Anlage) ergab schnell, dass es erforderlich war, in die eigene Ausrüstung zu investieren. So konnte das Personal absolut unabhängig nach seinem eigenen Rhythmus arbeiten und auf diese Weise die Anforderungen im Hinblick auf Flexibilität erfüllen, die diese Art von Baustelle erfordert. So wurde von Anfang Jeder Ziegel wird von einem Roboter installiert, der durch die Markierung genau die Position in dem riesigen Mosaik erkennt, das er zusammensetzen soll. Der Detektor des Laboratoriums von Gran Sasso ist der grösste Fotoapparat, der jemals auf der Welt gebaut wurde. Hunderte von magnetischen Targets bilden die Grundlage für die fotogrammetrische Messung des Systems. Sehr präziser Target-Träger

4 an eine Leica TDA5005 Laserstation für das gesamte Referenzsystem des Projekts Opera eingesetzt. Um die Komponenten anzuordnen und die Anlage zu installieren, wurde in der Versuchshalle ein Netz von Referenzpunkten eingerichtet. Es wurden mehrere Hundert Punkte in den Wänden, im Boden und an der Anlage angebracht, um dem Instrument zu ermöglichen, stets im Bezugssystem der Anlage zu arbeiten. Mithilfe der Software Axyz und seinem Bündelalgorithmus (oder Bündelausrichtung) konnten fünfzehn Instrumentenstationen mit einer Messunsicherheit von 0,1 mm in einem globalen Bezugssystem zusammengefasst werden. Diese sehr gute Leistung lässt sich auf mehrere Faktoren zurückführen, unter anderem auf das sehr gute Verhalten des Instruments, ein Laboratorium mit sehr guter Temperaturund Schwingungsstabilität sowie auf eine ausgezeichnete Messmethodik und die offenkundige Geschicklichkeit der Anwender. Die Laserstation Leica TDA5005 ermöglicht, im Projekt Opera folgende Aufgaben auszuführen: Installation der primären Teile der Anlage Verbindung der Elemente untereinander Einstellung der Elemente untereinander Ausrichtung der Anlage und ihrer Peripherie Regelmässige Kontrollen der Geometrie der Anlage Vorbeugende und fehlerbehebende Wartung der Anlage Auch die präzise Verlegung der Verfahrschienen des Roboters konnte durch Messungen mit der Leica TDA5005 Laserstation optimiert werden, indem die Anwender des Systems eine Reihe von Zubehörkomponenten anfertigten. So konnten bei der Verlegung verschiedene Messungen erfasst werden. Der Verantwortliche für die Ausrichtung im Rahmen des Projekts Opera erläutert: Zahlreiche sehr präzise Montagevorgänge kennzeichnen das Projekt Opera, bei dem es sich um ein monumentales und einzigartiges Experiment handelt. Wir mussten uns auf die Präzision der Montage und auf die Kenntnis der letztendlichen Ausrichtung aller Komponenten verlassen können, die intensiv genutzt und einer erhöhten Überwachung unterzogen werden. Darüber hinaus mussten Messungen jeglicher Art auf flexible und vor allem kontinuierliche Weise durchgeführt werden praktisch ohne Eingriffe an der Anlage vorzunehmen. Die Leica TDA5005 Laserstation hat uns ermöglicht, intern die erforderlichen Fähigkeiten zu entwickeln und unsere eigenen Techniken und Verfahren zu konzipieren, ohne auf teure und oft ineffiziente externe Partner zurückgreifen zu müssen. So haben wir aus der Leica TDA5005 ein sehr vielseitiges Werkzeug gemacht, indem wir neben den Tausenden von Messungen auch eigene metrologische Experimente durchgeführt haben! Dabei haben wir das erforderliche Zubehör entwickelt, um eine Schnittstelle zur Anlage zu schaffen und auf sehr präzise Weise die Eigenschaften zu messen, die uns interessierten. Das System, das gleichermaßen präzise und benutzerfreundlich ist, erfüllt in vollem Umfang unsere Anforderungen. Herr Auterio fährt fort und kommt zu dem Schluss: Diesem globalen Projekt kam die globale Präsenz unserer Ansprechpartner von Leica Geosystems und von Hexagon Metrology zugute. Die Zusammenarbeit mit einer internationalen Gruppe war eine wirklich positive Erfahrung. Wir haben uns neben dem italienischen Team vor Ort auch stets auf die Reaktionsfreudigkeit der Niederlassung Lyon verlassen können. Dario Auterio freut sich schon jetzt, beim nächsten globalen Kernphysikprojekt in Japan bei den japanischen Niederlassungen und Partnern der Gruppe Hexagon Metrology wieder auf dieselbe Professionalität und Kompetenz von Leica Geosystems zu treffen. Mit einer Gruppe zusammenzuarbeiten, die auf allen Kontinenten präsent ist, entspricht voll und ganz der Tragweite des Projekts Opera und seiner Folgeprojekte. von Anne Willimann

5 Zahlreiche Target-Träger wurden im Rahmen des Projekts Opera entwickelt, um die vielen Tausend erforderlichen Messungen so präzise wie möglich durchzuführen. Wir sind innerhalb von drei Jahren zu echten Messtechnik- Experten geworden, erläutert Dario Auterio und fährt fort: Das System und seine Modularität, seine Interdisziplinarität und Portabilität erfüllen in vollem Umfang unsere hohen Ansprüche. Wussten Sie das? Nachbildung des Aufpralls eines Neutrinos, der in einem Ziegel aufgezeichnet und von einem am Projekt Opera beteiligten Laboratorium analysiert wurde. Dieses ist mit automatischen Mikroskopen ausgerüstet um die Bilder zu entziffern und die interessanten physikalischen Parameter zu messen. Neutrinos sind wahrscheinlich die Elementarteilchen, die im Universum am zahlreichsten vorhanden sind, sich aber auch am schwierigsten untersuchen lassen, weil sie ausgesprochen scheu sind. Neutrinos interagieren nur in geringem Maße mit der Materie und können die ganze Erde durchqueren, die für sie fast transparent ist. Neutrinos vermitteln wertvolle Informationen über die Entstehung und Entwicklung des Universums, beispielsweise über die Höherwertigkeit der Materie gegenüber der Antimaterie oder aber die Entwicklung und das Erlöschen von Sternen. Anhand der Eigenschaften der Neutrinos lässt sich auf einzigartige Weise erklären, wie die grundlegenden Gesetze der Physik in einem einzigen Grundgesetz (grosse vereinheitlichte Theorie) zusammengefasst werden können, was das letztendliche Ziel der Physiker ist.

6 Egal, ob Sie das schnellste Auto, das größte Flugzeug oder das genaueste Werkzeug herstellen wollen zum Maximieren von Qualität und Produktivität benötigen Sie immer präzise Messungen. Deshalb vertrauen Experten bei der Erfassung, Analyse und Präsentation von 3D-Daten den Messtechnikprodukten von Leica Geosystems. Leica Geosystems ist bekannt für eine große Auswahl an industriellen Mess- und Prüfprodukten, z.b. hochpräzisen Industrie- Theodoliten und Total Stationen, Laser Tracker und mobile KMG-Systeme mit sechs Freiheitsgraden (6DOF). Dazu zählen beispielsweise der handgeführte, armlose Taster Leica T-Probe, der handgeführte Laserscanner Leica T-Scan und der Trackersteuerungssensor Leica T-Mac für automatisierte Anwendungen. Darüber hinaus bietet Leica Geosystems eine breite Palette an 3D-Softwarelösungen für die industrielle Messtechnik. Kunden von Leica Geosystems schätzen die Zuverlässigkeit und die Effizienz unserer Produkte genauso wie den erstklassigen Service und Support. Präzision, Zuverlässigkeit und Service das sind die Messtechnikprodukte von Leica Geosystems. Leica Geosystems Metrology Products Mönchmattweg 5 CH-5035 Unterentfelden Schweiz Tel Fax Hexagon AB Alle Rechte vorbehalten.