Vor zehn Jahren wurde mit der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen ein neues Beobachtungsfenster zum Weltall erschlossen. Um diesen Beobachtungskanal im tiefen und hohen Frequenzbereich abzudecken, sollen bis Mitte der 2030er-Jahre milliardenschwere Observatorien wie das von der ESA und NASA entwickelte LISA-Weltraumteleskop oder das terrestrische Einstein-Teleskop entstehen. Diese Experimente lassen jedoch eine wichtige Lücke im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis zu einigen Hz offen. In diesem Bereich können Gravitationswellen derzeit nicht detektiert werden. Dieser Frequenzbereich kann jedoch mit dem Bau von Atominterferometern der Grössenordnung von 1 km erschlossen werden. Nebst der Gravitationswellenforschung soll mit dem CHF 500 Millionen teuren quantentechnologischen Spitzenexperiment auch der direkte Nachweis von Dunkler Materie und die Beantwortung anderer offener Fragestellungen der Grundlagenphysik gelingen. Für dieses Vorhaben wurde die internationale Kollaboration Terrestrial Very-Long-Baseline Atom Interferometry (TVLBAI) gegründet, welche sich der Suche nach geeigneten Standorten für den Bau und Betrieb eines solchen Instruments gewidmet hat. Auf grosses Interesse stiess dabei der vertikale, 800 m tiefe Schacht I der Multifunktionsstelle (MFS) Sedrun – auch bekannt für das Untergrundbahnhofprojekt «Porta Alpina».

Um die Qualität und Eignung der MFS Sedrun als Standort für ein 800 m vertikales Atominterferometer-Experiment besser beurteilen zu können, wurde eine erste Machbarkeitsstudie durchgeführt, in deren Rahmen seismologische und elektromagnetische Umgebungsmessungen (Störsignale) im Schacht I erhoben wurden. Insbesondere bestand das Ziel darin, den Grundzustand sowie die Einflüsse von Zugverkehr im Gotthard-Basistunnel, von Wartungsarbeiten und von Ventilationsanlagen auf den potenziellen Betrieb eines Atominterferometers zu eruieren.

Die zweimonatige Messkampagne wurde innerhalb des Programms CERN Physics Beyond Colliders von Mai bis Juli 2025 durchgeführt. Messapparaturen für die seismologischen und elektromagnetischen Messungen wurden am Schachtkopf und Schachtfuss angebracht. Am letzten Tag der Messkampagne wurde zusätzlich das statische Magnetfeld von Schacht I mittels drei Liftfahrten kartiert. 

Die MFS Sedrun erwies sich aufgrund der Umgebungsmessungen als sehr vielversprechender Standort. Seismologische und elektromagnetische Störungen sind deutlich unter den benötigten technischen Obergrenzwerten. Insbesondere die Lage des Schachtkopfs tief im Berginnern – 1 km horizontal von Sedrun entfernt und 550 m unter der Alp Tgom – erweist sich als einzigartiger Standortvorteil. Die seismologischen Störungen am Schachtkopf des 100-m-Vorgängerexperiments am CERN sind im Vergleich dazu um eine Grössenordnung höher. Im anvisierten dHz- bis Hz-Bereich weist die MFS Sedrun unter den bisher weltweit sieben vermessenen Standorten die tiefsten Störwerte auf.

Während der zweimonatigen Messkampagne wurden ausserdem 32'000 Zugfahrten registriert, die mit dem von der SBB zur Verfügung gestellten Logbuch synchronisiert wurden. Selbst beim Passieren der grössten Güterzüge wurden die Störrichtwerte im anvisierten Frequenzbereich nicht überschritten. Auch die seltenen Wartungsarbeiten, Liftfahrten und Einsätze der Ventilationsanlagen stellen keine Hindernisse dar. Die Messungen wurden in einer Publikation zusammengefasst.

Die FH Graubünden stellt die Leitung des Projekts Atominterferometer Porta Alpina innerhalb der internationalen TVLBAI-Kollaboration, wo sie auch im Institutional Collaboration Board Einsitz nimmt und die ‘Site Options, Engineering and Infrastructure’-Gruppe führt. Sie ist mit dem Projekt im Vorstand der Swiss Gravitational Wave Coordination Group vertreten und Teil der Kerngruppe des Atominterferometer-Vorgängerexperiments am CERN. Als nächster Schritt wird durch das Institut für Bauen im alpinen Raum (IBAR) der FH Graubünden eine bautechnische Machbarkeitsstudie für das Atominterferometer Porta Alpina durchgeführt.

Zum Projekt auf CERN

Zum Projekt auf arXiv

Beteiligte

Das Projekt wird vom Institut für Photonics und Robotics (IPR) in Zusammenarbeit mit CERN, Imperial College London, University of Oxford, King’s College London, Université de Genève, FOSELEV Suisse, Université de Neuchâtel, Universität Zürich, Terrestrial Very-Long-Baseline Atom Interferometry (TVLBAI) Collaboration, SBB, umgesetzt.