Unter Tage auf der Spur kosmischer Teilchen: mit Campingtisch und Detektoren im Bergwerk

Nehan Ahmed ist Schüler in der Q1 (Klassenstufe 12) am Franz-Stock-Gymnasium in Arnsberg (Nordrhein-Westfalen). Für seine Facharbeit in der Schule hat er sich ein ungewöhnliches Projekt vorgenommen: Er misst kosmische Teilchen tief unter der Erde. Wie er auf diese Idee kam, welche Bergwerke er besucht hat und wo die besonderen Herausforderungen lagen, erzählt er im Gespräch.

Erinnerst Du Dich noch an den Auslöser für Deine Facharbeit?

Der Ausgangspunkt war das Science Camp Physik in Karlsruhe, an dem ich letzten Sommer teilgenommen habe. Vorher war Teilchenphysik für mich etwas sehr Entferntes, fast schon Exotisches und ziemlich unverständlich. Im Camp habe ich dann viel darüber gelernt und gemerkt, dass es eigentlich gar nicht so kompliziert ist, sondern vor allem sehr spannend.

Im Science Camp hast Du die CosMO-Detektoren kennengelernt. Wann wurde aus einem Camp-Erlebnis eine konkrete wissenschaftliche Frage?

Wir haben im Camp mit den CosMO-Detektoren von Netzwerk Teilchenwelt gearbeitet. Mich hat fasziniert, dass so ein vergleichsweise einfacher Detektor etwas messen kann, das man gar nicht sehen kann, nämlich kosmische Teilchen. Wenn diese Myonen durch den Detektor fliegen, entsteht Licht, das in elektrische Signale umgewandelt wird. Man sieht dann am Oszilloskop kleine Spannungsveränderungen.

Wie bist Du dann auf die Idee gekommen, nicht nur auf der Erde zu messen, sondern in Besucherbergwerken?

Während des Camps haben wir in verschiedenen Stockwerken eines Hochhauses gemessen. Die Betondecken schirmen einen Teil der kosmischen Teilchen ab, deshalb ist die Myonenrate im Erdgeschoss geringer als in der obersten Etage. Diese Abschirmung fand ich besonders spannend. Ich wollte genauer untersuchen, welche Faktoren die Myonenrate beeinflussen. Wenn schon ein Hochhaus einen Unterschied macht, was passiert dann wohl unter der Erde?

Wie ging es dann an die praktische Umsetzung? Wer musste überzeugt werden, damit du mit Detektoren in Bergwerke darfst?

Ich habe verschiedene Bergwerke angeschrieben, mich nach den möglichen Tiefen erkundigt und gefragt, ob ich dort Messungen durchführen darf. Von einigen Besucherbergwerken habe ich schnell Zusagen bekommen. Sie waren interessiert an dem Projekt. Es gab auch ein paar Absagen, aber am Ende konnte ich im Kilianstollen in Marsberg, im Besucherbergwerk Ramsbeck und in der Grube Wohlfahrt in Rescheid messen. So hatte ich eine gute Auswahl an unterschiedlichen Tiefen.

Du warst in mehreren Bergwerken im Sauerland und in der Eifel unterwegs. Was waren die größten Herausforderungen unter Tage?

Ich war bis zu 300 Meter unter der Erdoberfläche. Dort gibt es natürlich keine Steckdosen. Also brauchte ich Powerbanks für die Stromversorgung von Computer, Bildschirm und Detektoren. Außerdem habe ich einen Campingtisch mitgenommen für den Aufbau. Unter Tage ist es oft eng, da muss man darauf achten, dass alles durch die schmalen Gänge passt. Außerdem tropft manchmal Wasser von der Decke, deshalb habe ich einen Schirm aufgespannt. Ich hatte auch einen Hocker mit, aber gesessen habe ich nicht, vor lauter Aufregung. Ich war viel zu gespannt, ob meine Messungen funktionieren.

Und? Hat alles geklappt?

Ja, die Experimente haben spannende Ergebnisse gebracht. Ich konnte zeigen, dass die Myonenrate mit zunehmender Tiefe abnimmt, und zwar exponentiell. Gleichzeitig steigt die Rate der Gammastrahlung an, also der natürlichen Strahlung aus dem umgebenden Gestein. Außerdem habe ich die mittlere Lebensdauer von Myonen bestimmt und konnte den Literaturwert bestätigen. Und es gab noch weitere Messungen, zum Beispiel habe ich verschiedene Einfallswinkel untersucht.

Was passiert jetzt mit Deiner Arbeit?

Ich habe meine Ergebnisse im Frühjahr bei „Jugend forscht“ vorgestellt und im Regionalwettbewerb den ersten Platz erreicht. Dadurch konnte ich beim Landeswettbewerb antreten und habe dort einen Sonderpreis gewonnen: ein Forschungspraktikum an einem Fraunhofer-Institut. Außerdem reiche ich die Arbeit im Rahmen eines Projektkurses in der Schule ein.

Wie geht es weiter für Dich?

Im Sommer werde ich wieder am Science Camp in Karlsruhe teilnehmen, allerdings dieses Mal als Betreuer. Ich freue mich darauf, andere Jugendliche für kosmische Teilchen zu begeistern. Außerdem bewerbe ich mich gerade für die CERN-Projektwochen von Netzwerk Teilchenwelt und hoffe, dort im Oktober ein eigenes Forschungsprojekt durchführen zu können. Nächstes Jahr mache ich mein Abitur und möchte danach studieren.

Wer hat Dich auf Deinem Weg unterstützt?

Wissenschaftlich begleitet hat mich Prof. Günter Quast vom KIT Karlsruhe, den ich im Science Camp kennengelernt habe, und er hat mir auch die CosMO-Detektoren zur Verfügung gestellt. Meine Projektkurslehrerin hat mich vor allem organisatorisch unterstützt. Und meine Eltern haben mir ebenfalls sehr geholfen, mich zum Beispiel zu den Messorten gefahren, und mein Vater ist mit mir unter Tage gegangen und hat mir beim Tragen geholfen. Da kam einiges zusammen.

Was nimmst Du aus dem Projekt mit?

Vor allem, wie viel Spaß es gemacht hat und wie spannend es ist, selbst zu forschen – gerade in der Teilchenphysik. Es ist faszinierend, eigene Messungen durchzuführen und mit echten Detektoren zu arbeiten.