Lesezeit ca. 24 Min.
arrow_back

GRAVITATION EINE WA AGE FÜR DAS VAKUUM


Logo von Spektrum der Wissenschaft
Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 10/2022 vom 17.09.2022
Artikelbild für den Artikel "GRAVITATION EINE WA AGE FÜR DAS VAKUUM" aus der Ausgabe 10/2022 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/2022

HÖCHSTE GENAUIGKEIT Dass das Vakuum etwas wiegen könnte, darüber sind sich Physiker einig. Die Messung eines so kleinen Werts ist allerdings eine Herausforderung.

AUF EINEN BLICK WIE SCHWER IST DAS »NICHTS«?

1 Seit den Anfängen der Quantenmechanik wissen Physiker, dass es keinen völlig leeren Raum gibt. Überall wimmelt es vor seltsamen Teilchen, die kurzzeitig auftauchen und wieder verschwinden.

2 Grund dafür sind Vakuumfluktuationen: Die Energie des Vakuums kann um winzige Werte variieren. Diese Schwankungen haben enorme Auswirkungen: Sie beeinflussen, wie sich das All ausdehnt.

3 Doch die Vorhersagen von Quantenphysik und Kosmologie liegen weit auseinander. Daher wollen Forschungsteams das Vakuum wiegen – mit nichts anderem als einer Balkenwaage.

»Das macht schon was mit einem, wenn man zum ersten Mal hier reinfährt«, sagt Enrico Calloni, als das Auto holpernd in den schmalen Tunnel der Mine abtaucht. Nach der gleißenden Hitze an der Oberfläche könnte der Kontrast kaum größer sein. Innerhalb weniger Sekunden dringt feuchte, kühle Luft in den Wagen, während ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
NEWS Jetzt gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Spektrum der Wissenschaft. Alle Rechte vorbehalten.
Lesen Sie jetzt diesen Artikel und viele weitere spannende Reportagen, Interviews, Hintergrundberichte, Kommentare und mehr aus über 1050 Magazinen und Zeitungen. Mit der Zeitschriften-Flatrate NEWS von United Kiosk können Sie nicht nur in den aktuellen Ausgaben, sondern auch in Sonderheften und im umfassenden Archiv der Titel stöbern und nach Ihren Themen und Interessensgebieten suchen. Neben der großen Auswahl und dem einfachen Zugriff auf das aktuelle Wissen der Welt profitieren Sie unter anderem von diesen fünf Vorteilen:

  • Schwerpunkt auf deutschsprachige Magazine
  • Papier sparen & Umwelt schonen
  • Nur bei uns: Leselisten (wie Playlists)
  • Zertifizierte Sicherheit
  • Freundlicher Service
Erfahren Sie hier mehr über United Kiosk NEWS.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 10/2022 von EIN ETWAS ANDERES LABOR. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
EIN ETWAS ANDERES LABOR
Titelbild der Ausgabe 10/2022 von SPEKTROGRAMM. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
SPEKTROGRAMM
Titelbild der Ausgabe 10/2022 von PALÄONTOLOGIE GEFIEDERTE FLUGSAURIER. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
PALÄONTOLOGIE GEFIEDERTE FLUGSAURIER
Mehr Lesetipps
Blättern im Magazin
SPEKTROGRAMM
Vorheriger Artikel
SPEKTROGRAMM
PALÄONTOLOGIE GEFIEDERTE FLUGSAURIER
Nächster Artikel
PALÄONTOLOGIE GEFIEDERTE FLUGSAURIER
Mehr Lesetipps

... dieser sich den Weg immer weiter hinab in die Tiefe bahnt. »Klaustrophobisch sollte man nicht sein.«

Der Fahrer, Luca Loddo, fährt derweil selbstsicher auf dem unebenen Boden weiter und lacht. Ein enger Schacht, 110 Meter unter der Erde, fast vollkommene Dunkelheit – das ist nichts für jedermann. »Wir müssen das Experiment so gestalten, dass man die meiste Zeit an der Oberfläche arbeiten kann und nur für wichtige Änderungen hinabsteigen muss«, betont Calloni.

Das Auto hält an, Loddo steigt aus und stattet uns alle mit Helm und Taschenlampe aus. Die letzten Meter legen wir zu Fuß zurück, immer tiefer in den Schacht hinein. Wir passieren eine Tür, hinter der Seismografen installiert sind, welche die Bewegungen der Umgebung aufzeichnen. Als schließlich eine Art Höhle zu erkennen ist, die sich auf der linken Seite des Tunnels befindet, bleiben wir stehen. Ein Scheinwerfer ist darauf gerichtet. »Hier soll es stattfinden«, erklärt Calloni. Das erscheint unglaublich: Genau hier, in einer feuchten Höhle, wollen italienische Forschungsgruppen ein Hochpräzisionsexperiment durchführen.

Von einem Versuchslabor hat die Umgebung wenig. Doch tatsächlich gibt es in Europa kaum einen geeigneteren Ort für das Projekt, das sich die ambitionierten Physiker und Physikerinnen vorgenommen haben. Denn die Mine Sos Enattos befindet sich auf der mediterranen Insel Sardinien, die laut seismografischen Untersuchungen zu den ruhigsten Orten der Welt zählt. Dort wollen Forschungsteams um den Wissenschaftler Enrico Calloni vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Nationales Institut für Kernphysik, kurz INFN) der schlechtesten theoretischen Vorhersage in der Geschichte ihres Fachs nachgehen.

Kosmologie und Quantenphysik liegen bei der Berechnung eines bestimmten Werts nämlich um mehr als 120 Größenordnungen (eine 1 mit 120 Nullen) auseinander. Als wäre diese Abweichung nicht schon schlimm genug, handelt es sich bei der betreffenden Größe um eine der fundamentalsten des Universums: das Gewicht des Vakuums. Die Forscherinnen und Forscher möchten sich daher die ruhige Lage der Mine Sos Enattos in der Nähe des sardischen Dorfs Lula zu Nutze machen und dort Hochpräzisionsmessungen vornehmen. Sie haben kein geringeres Ziel, als das »Nichts« zu wiegen.

Anders, als viele annehmen, ist das Vakuum nicht völlig leer. Grund dafür ist die Quantenphysik, wie so oft, wenn es um kontraintuitive physikalische Phänomene geht. Ein bekanntes Beispiel ist die heisenbergsche Unschärferelation: Man kann die Position und die Geschwindigkeit eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Die Unschärferelation gilt aber auch für andere Messgrößen, etwa Energie und Zeit. Diese lassen sich ebenso wenig zeitgleich präzise auflösen. Das hat erhebliche Folgen: Die Natur kann sich kurzzeitig Energie »borgen« – je kürzer der Zeitraum, desto höher der mögliche Energiebetrag.

Dadurch schwirren im Vakuum etliche »virtuelle« Teilchen herum, die aus dem Nichts auftauchen und sogleich wieder verschwinden. Allerdings müssen dabei einige Regeln gewahrt werden: Im gesamten System kann etwa nicht plötzlich eine elektrische Ladung entstehen. Also können bloß neutrale Partikel wie Photonen oder Teilchen und Antiteilchen – etwa ein Elektron-Positron-Paar – den (gar nicht mehr so) leeren Raum kurzzeitig bevölkern. In der Physik spricht man von virtuellen Teilchen, weil sie sich nicht messen lassen; die kurzlebigen Erscheinungen entziehen sich Detektoren. Doch auch wenn man sie nicht direkt nachweisen kann, sind ihre Auswirkungen sehr wohl messbar.

Dass virtuelle Partikel nicht nur eine mathematische Konstruktion sind, sondern Realität, haben inzwischen viele Experimente belegt. So etwa die spontane Emission: Ein angeregtes Atom kann gemäß den Gesetzen der Physik nur in den Grundzustand zurückkehren, wenn es sich in einem elektromagnetischen Feld befindet – es also mit einem Photon wechselwirkt. Erst dann ist das Atom in der Lage, Energie loszuwerden, indem es seinerseits ein Lichtquant ausstrahlt. In Wirklichkeit zeichnet sich allerdings ein anderes Bild ab: Auch im Vakuum kann ein angeregtes Teilchen spontan ein Photon emittieren. Um das zu erklären, braucht man die Quantenphysik.

Wegen der Unschärferelation schwankt die Vakuumenergie um winzige Werte. Diese reichen aus, damit kurzzeitig ein virtuelles Lichtteilchen entsteht, das dem angeregten Atom ermöglicht, die überschüssige Energie loszuwerden und in den Grundzustand zurückzukehren. Es ist, als würde man einen Stift senkrecht auf der Fingerspitze balancieren: Hat man die Balance gefunden, könnte der Stift theoretisch für immer so stehen bleiben. Doch kein Mensch ist in der Lage, dauerhaft regungsfrei zu verharren. Eine winzige Bewegung wird irgendwann zwangsläufig dazu führen, dass der Stift herunterfällt.

Tatsächlich ist die spontane Emission verantwortlich für den Großteil des Lichts, das uns umgibt. Eine erste Erklärung dafür fand Albert Einstein 1916, aber erst zehn Jahre später konnte sein Kollege Paul Dirac das Phänomen vollständig beschreiben, als die Quantenmechanik ein solides theoretisches Fundament besaß. Virtuelle Teilchen scheinen also real zu sein. Doch um sie wiegen zu können, nutzt man einen anderen Effekt, der mit ihnen zusammenhängt.

Eine mysteriöse Kraft drückt zwei Platten zusammen

Dabei handelt es sich um eines der faszinierendsten Ereignisse, das die Beschaffenheit des Vakuums verdeutlicht: den so genannten Casimir-Effekt, den der niederländische Physiker Hendrik Casimir bereits 1948 vorhergesagt hat. Seinen Berechnungen zufolge sollten sich zwei gegenüberstehende Metallplatten im luftleeren Raum anziehen – auch wenn man die Schwerkraft, die sie aufeinander ausüben, nicht berücksichtigt.

Grund dafür sind wieder die Fluktuationen der Vakuumenergie. Die im Vakuum stehenden Platten setzen den virtuellen Teilchen gewisse Grenzen: Zwischen den beiden Objekten können beispielsweise nicht beliebige Lichtquanten entstehen, sondern sie müssen die Regeln der Elektrodynamik befolgen. Denn die Metallplatten wirken wie Spiegel, welche die Photonen hin- und herreflektieren und manche Wellenlängen unterdrücken, während sie andere verstärken. Dadurch können nur virtuelle Teilchen mit bestimmten Energiewerten auftauchen. Außerhalb der zwei Platten können hingegen alle Formen der geisterhaften Partikel entstehen.

Innerhalb der leitenden Flächen gibt es also weniger Möglichkeiten – und damit auch weniger virtuelle Teilchen. Selbst wenn diese nur kurzzeitig existieren, üben sie Druck aus: Die beiden Leiterplatten werden von den im äußeren Bereich befindlichen virtuellen Teilchen zusammengepresst. Der Effekt ist in der Tat messbar. Allerdings dauerte es knapp 50 Jahre, bis Steven Lamoreaux das Phänomen 1997 an der University of Washington experimentell bestätigen konnte. In den Jahrzehnten zuvor gab es zwar zahlreiche Bemühungen und einige Hinweise darauf, doch die Messinstrumente waren nicht präzise genug, um die geringe Anziehungskraft der Platten zweifelsfrei nachzuweisen.

Nun möchten Calloni und seine Kolleginnen und Kollegen den Casimir-Effekt nutzen, um das Nichts zu wiegen. Aber warum sollte man das tun? Schließlich scheinen quantenmechanische Experimente alle Modelle zu bestätigen. Die Quantenelektrodynamik gilt gemeinhin sogar als die am besten überprüfte Theorie der Naturwissenschaften: Die Messwerte stimmen teilweise bis zur achten Nachkommastelle mit den Rechenergebnissen überein.

Sobald man sich jedoch in ein Grenzgebiet begibt, in dem auch die Schwerkraft relevant wird, kommt es zu Problemen. Bisher gibt es noch keine Quantengravitationstheorie, weshalb man mikroskopische Phänomene mit Hilfe von Quantenfeldtheorien beschreibt, während man auf kosmologischer Skala die 1915 von Einstein eingeführte allgemeine Relativitätstheorie heranzieht. In den allermeisten Fällen klappt das auch sehr gut, da Quanteneffekte bei riesigen Objekten wie Sonnensystemen und Galaxien keine Rolle spielen; bei winzigen Teilchen wie Atomen oder Quarks hingegen ist die Schwerkraft vernachlässigbar.

Beim Vakuum ist das allerdings anders: Schließlich handelt es sich dabei um eine grundlegende Eigenschaft des Raums. Wenn das Nichts eine nicht verschwindende Energie besitzt, dann hat das schwer wiegende Auswirkungen – unabhängig davon, wie klein diese sein mag. Um zu verstehen, warum das so ist, muss man die Feldgleichungen von Einstein kennen, die der allgemeinen Relativitätstheorie zu Grunde liegen. Sie beschreiben, wie Energie (beispielsweise in Form von Masse) die Raumzeit krümmt und wie das die Bewegung der Energieträger (etwa Teilchen) beeinflusst. Sprich: Ein Sonnensystem krümmt den Raum, und das führt wiederum dazu, dass sich die Himmelskörper auf Bahnkurven bewegen.

Demnach wirken sich aber auch Vakuumfluktuationen, die kurzzeitig die Energie des Vakuums ändern, auf die Form und die Entwicklung unseres Universums aus – und zwar auf ganz bestimmte Weise, worauf Kosmologen und Kosmologinnen anfangs noch Hoffnung setzten. Denn zunächst schien es, als könne die Quantenphysik ein bedeutendes Rätsel ihres Fachs lösen: das der kosmologischen Konstante.

Interferometer

Ein Laserstrahl (grün) wird von links auf einen Strahlteiler geführt, wo er sich in zwei Strahlen spaltet. Der erste wird nach unten abgelenkt und trifft auf einen Spiegel des unteren Balkens, was ihn geradewegs nach oben reflektiert. Dort landet er in einem Detektor. Der zweite Strahl setzt seinen Weg nach rechts fort, wo er durch einen Spiegel nach unten auf den rechten Teil des unteren Balkens reflektiert wird. Auch dieser wird anschließend so geleitet, dass er auf den Detektor trifft. Falls der untere Balken – an dem im Versuch die zwei Proben hängen – auch nur leicht verkippt ist, ändert sich dadurch der Weg der beiden Strahlen und somit auch das Signal im Detektor.

Drei Jahre nachdem Einstein die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hatte, stellte er fest, dass er eine so genannte kosmologische Konstante zu seinen Gleichungen addieren konnte, ohne die grundlegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu ändern. Denn die Feldgleichungen erlauben unzählige Lösungen – und somit mögliche Universen. Die richtigen Anfangsbedingungen zu finden, damit man ein All wie unseres beschreibt, stellte eine Herausforderung dar. Einstein ging zu Beginn davon aus, der Kosmos sei statisch: Der Raum habe eine feste, unveränderliche Größe. Um ein solches Ergebnis zu erhalten, muss man eine kosmologische Konstante in die Gleichungen einführen, die mit einem geeigneten Zahlenwert dafür sorgt, dass sich das Universum weder ausdehnt noch zusammenzieht.

Doch 1931 erkannte der Astronom Edwin Hubble, dass der Raum wächst. Darum verwarf Einstein die Idee der kosmologischen Konstante – oftmals wird behauptet, er habe sie als die »größte Eselei« seines Lebens bezeichnet. 1998 kam eine erneute Wendung: Zwei Forschungsteams konnten durch die Beobachtung weit entfernter Supernovae unabhängig voneinander nachweisen, dass sich das Universum nicht gleichmäßig, sondern sogar beschleunigt ausdehnt.

Was treibt das Universum auseinander?

Die treibende Kraft, die den Raum immer weiter auseinanderzieht, wird seither als Dunkle Energie bezeichnet. Sie wirkt demnach wie eine Art Gegenstück zur Gravitation, die verhindert, dass alle massiven Objekte irgendwann in einem Ort zusammenstürzen. Laut theoretischen Vorhersagen macht der Anteil der Dunklen Energie etwa 68 Prozent der Energie im All aus. Zwar ist die Dichte der Dunklen Energie extrem klein; weil diese jedoch über den gesamten Raum verteilt ist, addiert sie sich zu einem riesigen Wert auf.

Es gibt zwei verbreitete Erklärungsansätze, woher diese mysteriöse Energieform stammen könnte. Ersterer basiert auf bisher noch nicht nachgewiesenen Quantenfeldern, die einer neuen Grundkraft angehören würden. Neben der elektromagnetischen, der starken sowie der schwachen Kernkraft und der Gravitation gäbe es demzufolge eine fünfte fundamentale Kraft. Hinweise darauf wurden allerdings noch nicht gefunden. Eine andere Erklärung liefert dagegen eine kosmologische Konstante, die sich durch die Energie des Vakuums ergibt. Denn Vakuumfluktuationen tragen in den einsteinschen Feldgleichungen zum Wert der geheimnisvollen Konstante bei.

Zunächst zeigte sich die Fachwelt erfreut darüber: Zwei verschiedene Bereiche der Physik schienen die beschleunigte Ausdehnung des Universums auf gleiche Weise zu erklären.

Doch die Freude währte nicht lange. Als man den energetischen Beitrag des Vakuums quantenfeldtheoretisch berechnete, fiel dieser wesentlich größer aus als der Wert der kosmologischen Konstante, der sich aus den astronomischen Beobachtungen ergibt. Tatsächlich ist der Unter- schied riesig: Die quantenphysikalische Vorhersage fällt um etwa 120 Größenordnungen höher aus!

1 LAGERHALLE Das vorläufige Labor befindet sich in einer Lagerhalle, die sich die Forschungsteams mit den Minenarbeitern teilen.

2 ARCHIMEDES-EXPERIMENT Die Forscherinnen und Forscher wickeln die Geräte mit Folie ein, um den Staub fernzuhalten.

3 WAAGE Der Aufbau ist noch nicht beendet, doch beide Balken sowie das Interferometer sind schon angebracht.

4 FEINARBEIT Für den Versuch werden präzise Bauteile benötigt, hier etwa schmale Kupfergelenke.

»Um das Jahr 2000 herum las ich einen älteren Fachaufsatz des Nobelpreisträgers Steven Weinberg zu diesem Thema«, erinnert sich Calloni. »Da kam mir erstmals die Idee für das Archimedes-Experiment.« Dass Vakuumfluktuationen existieren, ist spätestens seit dem Nachweis des Casimir-Effekts allgemein akzeptiert. Und auch die vorhergesagte Stärke der Fluktuationen kann nicht völlig danebenliegen, da Laborversuche die Theorie bisher extrem gut bestätigen.

Aber es wurde noch nie untersucht, wie sich virtuelle Teilchen in Bezug auf die Schwerkraft verhalten. In Wirkllichkeit könnten die mysteriösen Partikel und damit auch die Vakuumfluktuationen anders mit der Gravitation wechselwirken, als wir es von gewöhnlicher Materie gewohnt sind. Um das zu überprüfen, möchte Calloni mit seinen Kolleginnen und Kollegen den Casimir-Effekt nutzen und das Unmögliche wagen: die virtuellen Teilchen mit Hilfe einer simplen Balkenwaage wiegen.

»Die dafür benötigten Grundlagen kennen wir im Prinzip schon seit Jahrzehnten«, erklärt der Postdoc Luciano Errico, der an der Durchführung des Archimedes-Experiments beteiligt ist. »Ich habe mich anfangs selbst gewundert, warum es so lange gedauert hat, bis man diese Aufgabe in Angriff nimmt.« Bereits 1929 fragte sich Richard Tolman, ob man bestimmte Energieformen (er fokussierte sich dabei auf Wärme) wiegen könnte.

Ähnlich keimte Anfang des Jahrtausends in Calloni eine Idee für eine experimentelle Umsetzung auf. Dafür müsste man bloß das archimedische Prinzip nutzen: Wenn virtuelle Teilchen ein Gewicht haben, dann sollte ein Hohlraum aus Metallplatten im Vakuum eine Auftriebskraft erfahren. Denn im Inneren entstehen weniger virtuelle Partikel als außerhalb des Hohlraums. Daher würde dieser einer Boje im Meer ähneln, die wegen des Auftriebs nach oben gedrückt wird. Da die Kraft von der Dichte der virtuellen Teilchen abhängt, hat man somit auch deren Gewicht bestimmt.

Calloni begann 2002 in Zusammenarbeit mit Kollegen und Kolleginnen ein theoretisches Modell zu entwickeln, um die Stärke der Auftriebskraft für verschiedene Systeme zu berechnen – und somit den geeignetsten Versuchsaufbau auszumachen. Wie die Fachleute vermuten, läge die Kraft in realistischen Umsetzungen bei etwa 10–16Newton. Das ist, als wolle man die DNA in einer Zelle wiegen. Dafür sind extrem sensible Messapparate nötig. »Das erklärt, warum es bis heute noch niemand versucht hat«, so Errico. Tatsächlich wurden erst in den letzten Jahren Systeme entwickelt, die solche winzigen Werte detektieren können. Grundlage für die technschen Fortschritte gaben Gravitationswellendetektoren wie VIRGO, an dessen Aufbau Calloni maßgeblich beteiligt war. »Erst durch die empfindlichen Instrumente, die für Präzisionsmessungen von Gravitationswellen hergestellt wurden, ist all dies möglich«, erläutert Errico. »Danke, LIGO, danke, VIRGO!«

Doch selbst mit solchen ausgeklügelten Messsystemen ist eine Umsetzung des Archimedes-Experiments alles andere als einfach. Dabei ist die grundlegende Idee simpel: Die Forscher greifen auf eine der ältesten Methoden zurück, um das Gewicht eines Objekts zu bestimmen: eine Balkenwaage.

Herausforderung: Eine winzige Auftriebskraft messen

Daran sollen zwei Proben hängen, aber nur in einer findet der Casimir-Effekt statt. Hierfür erwärmt man beide Materialien in regelmäßigen Abständen um etwa vier Grad Celsius und kühlt sie anschließend wieder ab. Diese Temperaturdifferenz genügt, damit eine der Proben zwischen einer supraleitenden und einer isolierenden Phase hin- und herwechselt. Die andere bleibt hingegen stets ein Isolator. Durch die veränderte Leitfähigkeit variiert auch die Anzahl der möglichen virtuellen Teilchen innerhalb der ersten Probe. Die Auftriebskraft nimmt dann periodisch zu und ab. Somit müsste die Waage in regelmäßigen Zeitabständen schwingen, wie eine Wippe, auf der zwei Kinder sitzen.

Der Ausschlag wird durch die geringe Kraft jedoch sehr klein ausfallen. Zudem entstehen im Messapparat lauter andere Schwingungen, hervorgerufen durch Störungen aus der Umgebung wie seismische Erschütterungen oder thermische Schwankungen. Daher ist es wichtig, die Waage so gut es geht von der Außenwelt abzuschirmen. Als Ausgangspunkt braucht man einen Versuchsort, an dem es möglichst wenig seismische Aktivität gibt.

Bei der Suche nach einem passenden Kandidaten kamen die Forschungsteams schnell auf Sardinien. Denn es ist schon lange bekannt, dass die Mittelmeerinsel aus geologischer Sicht sehr leise ist. Zudem ist sie nicht allzu dicht besiedelt, was auch den anthropogenen Lärm gering hält. Darüber hinaus verfügt die Insel wegen ihrer Bodenschätze über mehr als 250 Minen. Solche Orte sind geradezu ideal für Hochpräzisionsexperimente. Denn im Untergrund gibt es noch weniger Erschütterungen als an der Erdoberfläche. Und auch die Temperatur ist im Inneren einer Mine äußerst stabil, was die Messungen ebenfalls erleichtert. Deshalb haben das INFN sowie das INGV (Nationales Institut für Geophysik und Vulkanologie) eine Kollaboration mit der italienischen Region Sardinien und den Universitäten in Sassari und Cagliari gestartet, um auf der Insel gravitative Experimente durchzuführen.

»Wir haben etliche Minenbetreiber angeschrieben und von unserem Vorhaben erzählt«, so Calloni. »Doch es war sehr schwer, jemanden zu finden, der sich dazu bereit erklärte, uns aufzunehmen.« Ein Grund dafür sei womöglich der Name eines der beiden Institute, die am Archimedes-Projekt beteiligt sind, schätzt der Physiker: das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. »Ich glaube, die Menschen vor Ort be- fürchteten, wir würden nach einem Lager für radioaktive Abfälle suchen.«

Schließlich fanden sie einen passenden Ort für das Expe-- riment: Die italienische Bergbaugesellschaft IGEA, die für die seit den 1990er Jahren stillgelegte Mine Sos Enattos im Osten der Insel verantwortlich ist, erklärte sich zu einer Zusammenarbeit bereit. Die Mine blickt auf eine lange Geschichte zurück: Bereits in der Antike bauten die Römer die darin befindlichen Erze ab. Heute ist Luca Loddo für die Schächte zuständig, früher hat er selbst als Techniker in der Mine gearbeitet. »Kurz bevor sie geschlossen wurde, waren nur noch etwa 30 Leute dort beschäftigt. Die haben sich dann darum gekümmert, die unterirdischen Gänge so umzubauen, dass man sie als Museum nutzen kann«, erzählt Loddo, während er uns durch die Mine begleitet.

Einige Jahre später übernahm er die Leitung und organisierte Führungen. In manchen Bereichen findet man lehrreiche Installationen, die die verschiedenen Arbeitsschritte der Minenarbeiter darstellen: hier eine Figur, die einen Karren mit Gesteinen füllt, dort jemand, der Sprengsätze an eine Wand anbringt, und an anderer Stelle ein kunstvoller Nachbau eines Arbeiters, der einen funktionsfähigen Druckluftbohrer betätigt. »Inzwischen dient die Mine nur noch dem wissenschaftlichen Betrieb«, sagt Loddo, nachdem wir wieder hinaufgestiegen sind.

Er führt uns durch das ehemalige oberirdische Museum, eine Halle, in der sich viele Ausstellungsstücke befinden. Dabei zeigt der Minenleiter stolz auf die Poster, die Forschungsprojekte wie das Archimedes-Experiment oder das Einstein-Teleskop (ein geplanter europäischer Gravitationswellendetektor) vorstellen. Denn durch die besondere geologische Lage wird Sos Enattos als möglicher Ort für das gigantische Einstein-Projekt gehandelt, das Gravitationswellen genauer vermessen soll denn je. Auch Fotografien von Calloni und anderen Physikerinnen und Physikern, welche die Mine besucht haben, hängen an der Wand.

Der vorgesehene Versuchsraum innerhalb der Mine ähnelt allerdings mehr einem archäologischen Fundort als einem Labor. »Anfangs war die Ausbuchtung, in der das Experiment ablaufen soll, winzig. Der ganze Raum wurde bereits ziemlich vergrößert – doch es steht noch viel Arbeit an«, erklärt Calloni. Der Raum ist noch nicht groß genug, es fehlt ein Lüftungsschacht, es muss ein richtiger Boden verlegt werden und vieles mehr. Da die beteiligten Forschungsteams planen, schon im Jahr 2024 erste Ergebnisse des Archimedes-Projekts präsentieren zu können, werden diese Messungen wohl eher an der Oberfläche stattfinden, gibt Calloni zu. »Wir müssen die Versuche dann etwas länger laufen lassen, aber auch hier oben sollte es unseren Berechnungen zufolge möglich sein, das gewünschte Signal zu messen«, so der Physiker.

Wie verwandelt man eine stillgelegte Mine in ein Hochpräzisionslabor?

Das ist allerdings nicht die einzige Schwierigkeit, mit der die Forscher und Forscherinnen zu kämpfen haben. Innerhalb einer stillgelegten Mine ein Versuchslabor aufzubauen, in dem Hochpräzisionsmessungen gemacht werden, ist alles andere als einfach. Die Fachleute dürfen die Hälfte einer Lagerhalle der Minenarbeiter für ihre vorläufigen Experimente nutzen. »Da gab es anfangs nichts – nicht einmal eine Toilette«, erinnert sich Calloni. Sie mussten dort zunächst Büroräume, eine möglichst passende Laborumgebung und natürlich sanitäre Anlagen errichten. »Inzwischen haben wir hier so ziemlich alles Nötige.« Postdoc Errico ergänzt daraufhin: »Dennoch muss man jedes Mal, wenn man hierher fährt, prüfen, ob man alles Wichtige dabei hat. Wenn ich etwa einen Schraubenzieher vergesse, kann das echt nervig werden. Wo soll man hier auf die Schnelle einen herbekommen?«

Vor Ort sind noch acht Minenarbeiter inklusive Loddo tätig. Sie kümmern sich um die Instandhaltung der Mine. Mittlerweile hat sich zwischen ihnen und den Physikern eine rege Zusammenarbeit entwickelt. »Sie unterstützen uns, wo sie nur können«, schwärmt Calloni. »Wenn wir etwa eine Halterung aus Stahl brauchen, haben sie bis zu unserem nächsten Aufenthalt eine für uns zusammengebaut.« Die meisten beteiligten Forscherinnen und Forscher wohnen auf dem italienischen Festland und reisen regelmäßig nach Sardinien. »Wir versuchen uns so zu organisieren, dass so oft wie möglich jemand vor Ort ist und Messungen vornehmen kann«, so Calloni.

Die Messgeräte stehen aktuell in der oberirdischen Lagerhalle. Die stellt einen auffälligen Kontrast zur anderen Hälfte des Gebäudes dar, dem Teil der Minenarbeiter: Dort stehen alte, riesige Maschinen, die früher genutzt wurden, um Granitblöcke zu zerkleinern – inzwischen aber nicht mehr funktionieren. Darum herum befinden sich allerlei andere Geräte wie Werkzeuge und Fahrzeuge. Die Hälfte des Archimedes-Experiments wirkt dagegen fast leer. Nur zwei große, zeltartige Gebilde stehen im Raum. An einem hängt ein Schild mit dem Logo, eine Balkenwaage. »Die Zelte sind da, um den Staub fernzuhalten«, erklärt Calloni. Als er die hinter den Zelten befindlichen Büroräume betritt, fügt er hinzu: »Eigentlich ist unsere erste Handlung, wenn wir ankommen, den Boden zu wischen, um auch hier den Staub zu entfernen.«

In der Lagerhalle finden schon Messungen statt, denn selbst an der Oberfläche ist die sardische Umgebung wesentlich ruhiger als das italienische Festland. Bislang handelt es sich allerdings um Probemessungen, die beispielsweise bestimmen, wie empfindlich die Waage ist. Die eigentlichen Untersuchungen an den Proben werden erst im Jahr 2023 beginnen.

Anders, als man etwa eine Banane im Supermarkt wiegt, werden die Physikerinnen und Physiker jedoch nicht bloß eine Gewichtsmessung vornehmen. Stattdessen erwärmen und kühlen sie die Proben immer wieder in festen Zeitabständen. Damit erhalten sie nicht nur ein einziges Ergebnis, sondern ein periodisches Signal. Das macht es einfacher, an der passenden Stelle in den Aufzeichnungen danach zu suchen. Denn auch wenn man die Apparatur von der Umgebung abschottet, treten Störungen auf. »Da wir die Frequenz kennen, mit der die Waage schwingen sollte, können wir nach genau solchen Ausschlägen Ausschau halten«, erklärt der Postdoc Errico. »Das Signal sollte auch an der Oberfläche zu sehen sein. Im Untergrund wäre es aber deutlicher sichtbar.«

Um ein derart präzises Instrument zu bauen, braucht es einige ausgeklügelte Ideen, selbst wenn der grobe Aufbau einer Balkenwaage zunächst einfach klingt. Doch die Realität ist komplizierter: Die Waage hängt frei im Raum; die winzigen Ausschläge werden von Lasersystemen gemessen; zudem muss sich die gesamte Apparatur in einem Vakuum befinden und auf weniger als 90 Kelvin (knapp minus 180 Grad Celsius) gekühlt werden. Darüber hinaus benötigt man geeignete Proben, die sich gleichmäßig und schnell erwärmen sowie abkühlen lassen und einen starken Casimir-Effekt aufweisen.

Allein aus mechanischer Sicht stellt das eine Herausforderung dar: Wie schafft man es, die Waage so zu befestigen, dass sie möglichst wenige Erschütterungen aus der Umgebung aufzeichnet – und gleichzeitig präzise genug ist, kleinste Gewichtsveränderungen zu detektieren? Wie kann man Justierungen von außerhalb vornehmen, ohne jedes Mal die Vakuumkammer zu öffnen? Ähnliche Anforderungen mussten bereits die Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO erfüllen. Neben Calloni haben auch viele der anderen am Archimedes-Projekt beteiligten Forscher und Forscherinnen an der Entwicklung von VIRGO mitgewirkt. Ihr dort erlangtes Wissen können sie nun auf den neuen Versuch übertragen.

Gravitationswellendetektoren als Inspiration

Zum Beispiel haben sie seitlich von beiden Enden der Balkenwaage je zwei Metallplatten angebracht, welche die Waage aber nicht berühren. Damit die Schwingung nicht zu stark ausfällt oder sich verstärkt, dämpfen die stromdurchflossenen Platten durch Induktion die entstehende Bewegung. Solche Prozesse fallen in den Bereich der so genannten Kontrolltheorie, die durch die Gravitationswellenforschung erhebliche Fortschritte gemacht hat. Dabei geht es darum, Störeffekte aus der Umgebung gering zu halten, indem man auf das Messsystem einwirkt.

Man muss allerdings so behutsam wie möglich vorgehen, um die Aufzeichnung nicht zu beeinflussen. Deshalb verwendet man beispielsweise Induktion, um die Bewegung zu dämpfen, anstatt das Gerät direkt zu berühren. Denn eine solche Handlung würde die Messung verfälschen.

Um die winzigen Ausschläge überhaupt detektieren zu können, nutzen die Fachleute zwei verschiedene Lasersysteme. Das erste ist ein Interferometer, das selbst kleinste Kippwinkel aufzeichnet: Durch einen Strahlteiler leitet man einen Laserstrahl auf beide Enden der Waage, wo sie von angebrachten Spiegeln reflektiert werden (siehe »Interferometer«, S. 16). Die Strahlen werden danach durch weitere Spiegel wieder zusammengeführt und treffen auf einen Detektor. Ist der Balken in Balance, haben die zwei Strahlen genau die gleiche Distanz zurückgelegt. Ist der Arm hingegen leicht in eine Richtung geneigt, unterscheidet sich die überwundene Strecke. Die Wellenberge und -täler der Laserstrahlen treffen im Messgerät versetzt aufeinander und erzeugen dadurch eine andere Intensität. Somit lassen sich kleinste Abweichungen vom Gleichgewicht aufzeichnen.

Das zweite Lasersystem ist dagegen nicht präzise genug, um den exakten Kippwinkel zu bestimmen. Man braucht es jedoch, um herauszufinden, in welche Richtung sich der Arm neigt, wenn der Ausschlag groß ist und zurück in die Ausgangslage gebracht werden muss. Dafür lässt man den Strahl unterhalb des Balkens auf dessen Mittelpunkt treffen, wo er reflektiert wird und dann ein Messgerät erreicht. Ist der Arm leicht verschoben, landet das Licht versetzt auf dem Detektor. Bei den winzigen Kippwinkeln, die im Experiment auftreten, genügt dieser Versatz nicht, um die Neigung präzise zu bestimmen; die Richtungsänderung lässt sich dennoch erkennen. Dazu ist das Interferometer bei großen Ausschlägen nicht in der Lage.

Um zu testen, ob eine solche Waage auch in der Praxis präzise genug arbeitet, hat Errico in seiner Masterarbeit zusammen mit Calloni und dessen Kollegen vor einigen Jahren zunächst einen Prototyp entwickelt. Im Unterschied zur finalen Archimedes-Apparatur hängt dieser noch nicht frei in der Luft, sondern ist fest mit dem Boden verbunden; er arbeitet bei Raumtemperatur und ist kleiner als die endgültige Version. Wie sich aber herausstellte, lassen sich bereits mit dem vereinfachten Versuchsaufbau seismische Aktivitäten extrem präzise messen. »Meines Wissens handelt es sich um das präziseste Seismometer, das aktuell verfügbar ist«, so Calloni. Weil es so gut funktioniert, haben die Physiker beschlossen, einen zweiten Prototyp anzufertigen und im Versuchslabor von VIRGO zu platzieren, um die dortigen seismischen Erschütterungen aufzuzeichnen. »Tatsächlich kann man daraus auch den teuersten Blitzer der Welt bauen«, sagt der Doktorand Luca Pesenti lachend, der ebenfalls am Archimedes-Projekt beteiligt ist. »Weil das Gerät so gut funktioniert, konnten wir die Bewegungen der am Labor vorbeifahrenden Autos in Sassari sehr akkurat bestimmen.«

Inzwischen haben die Forscherinnen und Forscher auch die endgültige Version der Archimedes-Waage aufgebaut und nach Sardinien verschifft. Der Aufbau ist bisher knapp zwei Meter groß und etwa 1,50 Meter breit. Er besteht aus zwei Balken, die frei schwingen können, also keinen Kontakt zum Boden haben. Am unteren Arm werden die Proben angebracht, während der obere als Referenz dient. An diesem sind die Spiegel und Strahlteiler für das Lasersystem befestigt. Zudem sind die Balken von zahlreichen Schrauben durchsetzt, mit denen man den Schwerpunkt der Waage genau justieren kann: Man kann sie ein klein wenig weiter herein- oder herausdrehen, um das Gewicht umzuverteilen. Einige der Schrauben lassen sich darüber hinaus maschinell verstellen, damit man sie aus der Ferne ansteuern kann. Das ist wichtig, denn wenn der Aufbau erst einmal in der Vakuumkammer steckt, kommt man nur noch schlecht heran.

Auch das Interferometer haben die Fachleute angebracht. »Für die detaillierte Planung des Aufbaus habe ich etwa sechs Monate gebraucht«, erzählt Errico. »Wo soll welche Stellschraube hin; wie sieht der ideale Strahlteiler aus, und wo positioniert man ihn? Es hat dann etwa ein Jahr gedauert, bis alle Teile eingetroffen sind und ich sie zusammensetzen konnte.« Und die Kalibrierung, damit der Laser die ganzen Vorrichtungen exakt trifft? »Das hat nur 30 Minuten gedauert. Ich hatte alles so geplant, dass es nur wenige Freiheitsgrade gab. Als alles wirklich so geklappt hat, wie ich es mir vorgestellt hatte, habe ich vor Freude fast geweint!«

Doch Errico hat noch viel Arbeit vor sich. Aktuell ist er damit beschäftigt, die Waage weiter zu verkabeln. »Das ist zwar nicht die unterhaltsamste Aufgabe, aber es muss gemacht werden.« Er muss eine ganze Menge Draht ordnen und anbringen, damit die vielen Instrumente von außen angesteuert werden und Signale hinausschicken können. Vor einigen Jahren hätte sich Errico wohl kaum träumen lassen, dass er seine Arbeitszeit auf diese Weise verbringen würde. Denn zunächst hatte er die Laufbahn eines theoretischen Physikers eingeschlagen. »Dann besuchte ich jedoch eine Vorlesung von Calloni und wusste, dass ich mit ihm zusammenarbeiten wollte«, erklärt Errico. Bei so einem spannenden Thema lohne es sich, auch mal technische Arbeiten zu übernehmen.

Ein Aufbau wie eine Matroschka

Dabei ist höchste Sorgfalt angesagt. Denn der verdrahtete Aufbau wird anschließend, ähnlich wie eine Matroschka, nacheinander in drei riesige Metallbehälter gepackt. Den ersten bildet die Vakuumkammer. Sie steckt man in eine zweite Hülle, die mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Und diese muss man wiederum in einen dritten, luftleeren Behälter stecken, der wie eine Thermoskanne wirkt. Ohne ihn würde sich die zweite Schicht zu schnell erhitzen.

Die Vakuumkammer ist bereits am Versuchsort eingetroffen – die anderen beiden Hüllen befinden sich noch in der Produktion. Und auch diese Schritte sind mit Schwierigkeiten verbunden. Eine Vakuumkammer solchen Ausmaßes ist nicht einfach herzustellen, genauso wenig ein so großer Kryostat (der physikalische Fachausdruck für die gigantische Thermoskanne). Der gesamte Aufbau wird am Ende etwa fünf Meter hoch, breit und tief sein und mehrere Tonnen wiegen. Es gibt nur wenige Anlaufstellen, die solche Behälter überhaupt produzieren können. Denn man braucht nicht nur riesige Metallhüllen – durch sie müssen zudem viele Kabel führen, die den extremen Bedingungen standhalten sollen.

Auch der Prozess, die drei Behälter ineinanderzustecken, ist mit Problemen verbunden. Gerade der Füllvorgang mit Stickstoff bereitet den Fachleuten noch Sorgen. Denn wenn man den Vakuumbehälter, der Raumtemperatur hat, in flüssigen Stickstoff eintaucht, verdampft die Kühlflüssigkeit schnell. Um niemanden zu gefährden, wird der Vorgang deshalb in einem Raum mit guten Belüftungsmöglichkeiten stattfinden, damit sich darin nicht zu viel Gas in der Luft sammelt.

In einem Probedurchlauf vor der Lagerhalle in Sos Enattos haben die Kollegen um die Physikerin Paola Puppo vom INFN in Rom deshalb schon einmal den Füllvorgang geübt: Sie haben eine riesige Styroporwanne langsam mit flüssigem Stickstoff gefüllt und dabei nach und nach die leere Vakuumkammer hineingetaucht. Die Kühlflüssigkeit begann dadurch schlagartig zu verdampfen, was sich eindrucksvoll in großen Nebelwolken ausdrückte, die den Vakuumbehälter beim Eintauchen umgaben. »Der gesamte Prozess wird sehr lange dauern – mehrere Tage bis Wochen.« Aber der Probedurchlauf hat bestätigt, dass die Idee der Forscher und Forscherinnen durchaus umsetzbar ist.

Eine weitere Schwierigkeit stellten die Proben dar. Als Calloni erstmals über das Archimedes-Experiment nachdachte, wollte er geschichtete Supraleiter einsetzen. In diesen Stoffen findet der Casimir-Effekt statt: Die Materialien bestehen aus drei Schichten, wobei die obere und die untere supraleitend werden – sie bilden damit das Äquivalent zu den Metallplatten im ursprünglichen Casimir-Modell. Zudem besitzt das Material eine feste Kristallstruk-

tur, das heißt, der Abstand zwischen den beiden leitenden Ebenen bleibt unverändert. Deshalb sollte eine Auftriebskraft auf derartige Proben wirken.

Allerdings beträgt die Dicke solcher Stoffe etwa 200 Nanometer, was zwar sehr dünn ist, aber für den Versuch ein Problem darstellt. »Um den Effekt zu verstärken, würden wir etliche Supraleiter-Schichten aufeinanderstapeln, so dass wir am Ende ein Material hätten, das mehrere Zentimeter dick ist«, erklärt Calloni. Und es ist so gut wie unmöglich, einen Festkörper dieser Größe gleichmäßig aufzuwärmen und abzukühlen – geschweige denn innerhalb der kurzen Zeitabstände, die für den Versuch anvisiert sind.

Vor einigen Jahren stieß Calloni jedoch zufällig auf eine Veröffentlichung von Achim Kempf von der University of Waterloo. Darin berechnete der theoretische Physiker die Stärke des Casimir-Effekts in bestimmten supraleitenden Kristallen. Wie Calloni erkannte, schien die Kraft ausgeprägt genug, um im Archimedes-Experiment genutzt zu werden. Und das Besondere an den Kristallen: Sie sind nur wenige Nanometer dick. Damit könnte man, wenn man sie übereinanderschichtet, eine Probe erhalten, die bloß ein paar Millimeter misst.

Ein viel versprechender Kristall als Rettung

Das klang fast zu schön, um wahr zu sein. Calloni erzählte seinen Kolleginnen und Kollegen davon und fragte sie, ob sie die Ergebnisse des theoretischen Physikers bestätigen könnten. Denn die Theorie des Casimir-Effekts in Supraleitern ist bisher kaum erforscht. Grund dafür ist unter anderem, dass supraleitende Stoffe noch viele Fragen aufwerfen – vor allem wenn es um solche geht, die bei (verhältnismäßig) hohen Temperaturen arbeiten. Um Kempfs Berechnungen dennoch zu überprüfen, wählte Luigi Rosa, der auch beim INFN arbeitet, einen anderen theoretischen Ansatz. Und er war erfolgreich. »Da nun zwei verschiedene Modelle zum gleichen Ergebnis führen, sind wir zuversichtlich«, sagt Calloni.

Inzwischen haben sie schon erste Kristallproben zur Verfügung: Es handelt sich um Scheiben mit einem Durchmesser von etwa zehn Zentimetern, die nur mehrere Millimeter dick sind. Nun mussten die Forschungsteams noch eine Methode finden, mit der sie die Proben gleichmäßig schnell erhitzen und wieder abkühlen konnten. Und natürlich durften sie dabei kaum in den Aufbau eingreifen, denn die Wärmezufuhr sollte die Waage möglichst wenig beeinflussen. Also werden die Fachleute die Proben in eine schwarze Box packen, die wie eine Art Ofen funktioniert. Von außen mit einem Laser beschienen, erhitzt sie sich und gibt die Wärme gleichförmig von allen Seiten an den Kristall ab. Wird der Laser ausgeschaltet, kühlt der flüssige Stickstoff das System wieder ab. Dieser Wechsel lässt sich relativ schnell vollführen, binnen Zehntelsekunden.

Wichtig ist hierbei, dass der Phasenübergang in den Kristallstrukturen dem Prozess folgen kann. Daher muss der Übergang vom isolierenden in den supraleitenden Zustand möglichst ruckartig verlaufen. Innerhalb von höchstens einem Grad Celsius sollte der Supraleiter zum Isolator werden. Wenn die Proben bei der Produktion allerdings nicht rein genug sind – Fehlstellen entstehen bei Herstellungsprozessen immer –, dann kann sich der Übergang fließend über mehrere Grad Celsius ziehen. Die Versuchsleiter arbeiten daher eng mit dem Unternehmen zusammen, das die Kristalle herstellt. Durch mehrfaches Ausprobieren haben sie nun gemeinsam den geeignetsten Kandidaten aus der Kristallfamilie, die Kempf beschrieben hatte, gefunden.

Damit sind die einzelnen Komponenten für das Archimedes-Experiment alle bereit – im Prinzip steht dem Versuch also nichts mehr im Weg. Und die Vorbereitungen sind schon in vollem Gang. Die beteiligten Forscher sind sehr gespannt, was dabei herauskommen wird. Falls die Messungen den bisherigen Erwartungen entsprechen, virtuelle Teilchen also wie gewöhnliche Materie gravitativ wechselwirken, dann weiß man definitiv, dass die Vakuumfluktuationen die Einstein-Feldgleichungen beeinflussen müssen. Demzufolge hätten sie wohl sehr starke Auswirkungen. In diesem Fall läge die Aufgabe, zu erklären, was sden Einfluss der Vakuumenergie im Universum unterdrückt, bei Kosmologen.

Wenn hingegen die Ausschläge der Waage anders ausfallen als erwartet, öffnet das – vorausgesetzt, Calloni und sein Team haben keine Fehler gemacht – einen Weg zu einer völlig neuen Physik. Dann bleibt herauszufinden, ob virtuelle Teilchen überhaupt mit der Schwerkraft wechselwirken. Oder hängen Energie und Masse bei ihnen auf andere Weise zusammen? Und wenn ja, wie und warum?

»Wir möchten noch keine Hypothese formulieren, um den Versuch nicht zu verfälschen«, erklärt Calloni. »Aber egal welches Ergebnis wir erhalten, es wird auf jeden Fall spannend.«

Mehr Wissen auf Spektrum.de

Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unter

QUELLEN

Allocca, A. et al.: Measuring the influence of Casimir energy on superconducting phase transitions: A cross-correlation data analysis. ArXiv 1205.2478, 2012

Allocca, A. et al.: Picoradiant tiltmeter and direct ground tilt measurements at the Sos Enattos site. European Physical Journal Plus 136, 2021

Calloni, E. et al.: Vacuum fluctuation force on a rigid Casimir cavity in a gravitational field. Physics Letters A 297, 2002

Calloni, E. et al.: Towards weighing the condensation energy to ascertain the Archimedes force of vacuum. Physical Review D 90, 2014

Calloni, E. et al.: High-bandwidth beam balance for vacuumweight experiment and Newtonian noise subtraction. European Physical Journal Plus 139, 2021