Warum dominiert Materie gegenüber Antimaterie im Universum? Diese zentrale Frage der Grundlagenphysik ist nach wie vor offen. Ein möglicher Hinweis könnte sich ergeben, wenn der als „neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall (0νββ)“ bekannte, äußerst seltene Kernprozess von Astrophysikern in ihren Experimenten nachgewiesen und experimentell bestätigt werden könnte. Das internationale LEGEND-Experiment (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay) sucht nach diesem außerordentlich seltenen Prozess unter Verwendung von isotopisch angereichertem, hochreinem Germanium-76 (⁷⁶Ge). Beim 0νββ-Zerfall wandeln sich zwei Neutronen in einem Atomkern gleichzeitig in zwei Protonen um, wobei zwei Elektronen und – entscheidend – keine Neutrinos emittiert werden. Im Gegensatz zum üblichen Zwei-Neutrino-Doppelbetazerfall bedeutet das Fehlen von Neutrinos, dass die beiden Elektronen im Wesentlichen die gesamte Zerfallsenergie tragen. Die experimentelle Detektion dieses Signals ist eine außerordentliche Herausforderung: Denn die vorhergesagte Halbwertszeit für den 0νββ-Zerfall dürfte 10²⁶ Jahre überschreiten – mehr als eine Milliarde Millionen Mal so lang wie das Alter des Universums. Im LEGEND-Experiment dient ⁷⁶Ge sowohl als Quelle des Zerfalls als auch als Detektormaterial (Medium). Um eine derart hohe Nachweisempfindlichkeit zu erreichen, sind daher große Mengen an hochreinen Ge-Einkristalldetektoren (HPGe) erforderlich.
Das LEGEND-Programm verfolgt eine stufenweise Strategie, um bei der Suche nach dem 0νββ-Zerfall eine Nachweisempfindlichkeit von 10²⁸ Jahren und darüber hinaus zu erreichen. Das derzeit laufende LEGEND-200-Experiment im Gran-Sasso-Nationallabor in Italien setzt bis zu 200 kg hochreine ⁷⁶Ge-Detektoren ein, die sowohl extrem niedrige Hintergrundstrahlung als auch eine bieten. LEGEND-1000 soll das Experiment auf die nächste Stufe heben: Das geplante Experiment wird etwa eine Tonne ⁷⁶Ge-Detektoren einsetzen und damit eine erwartete Nachweisempfindlichkeit von etwa 1,3 × 10²⁸ Jahren ermöglichen. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wurde nun unternommen: Der Wissenschaftsrat hat die Umsetzung von LEGEND-1000 empfohlen. LEGEND-1000 war bereits im Jahr 2025 im Rahmen des nationalen Priorisierungsprozesses des BMFTR als Teil einer Forschungsinfrastruktur (FIS) in die engere Auswahl gekommen und zählt damit zu den geplanten Forschungseinrichtungen mit höchster Priorität in Deutschland.
Das IKZ ist ein aktives und langjähriges Mitglied dieses multinationalen LEGEND-Konsortiums. Das LEGEND-Projekt am IKZ wird von einem Team unter der Leitung von PD Dr. habil. R. Radhakrishnan Sumathi in der Halbleitersektion geleitet. Das Team verfügt über mehr als acht Jahre Erfahrung in der HPGe-Materialtechnologie und Prozessentwicklung.
Das Hauptziel dieses neu geförderten LEGEND (3.0)-Projekts ist es, die Forschung und Entwicklung in der Materialtechnologie und der Verarbeitungseffizienz voranzutreiben, um HPGe-Kristalle in großem Volumen und hoher Qualität herzustellen, mit dem finalen Ziel, die Detektorfertigung unter Verwendung der am IKZ hergestellten Kristalle zu demonstrieren. Die Anforderungen an die Ge-Kristalle in „Detektorqualität“ sind außerordentlich hoch: Verunreinigungen müssen auf nur wenige Teile pro Trillion (ppt) reduziert werden, was einer Nettoladungsträgerkonzentration (Elektronen oder Löcher) n oder p < 10¹⁰ cm⁻³ entspricht. Darüber hinaus müssen die Kristalle präzise kontrollierte strukturelle und elektrische Eigenschaften aufweisen. Die Herstellung solcher Ge-Einkristalle in „Detektorqualität“ stellt daher eine erhebliche technologische Herausforderung dar.
Im Rahmen von zwei früheren, vom BMFTR finanzierten LEGEND-Verbundprojekten hat das Team eine umfassende, durchgängige Technologiekette zur Herstellung von HPGe-Kristallen etabliert. Dazu gehören die Reduktion von GeO₂ zu Ge-Metall mit einer hohen Ausbeute von ~99,8 %, die Zonenreinigung von Ge-Barren auf ultrahohe Reinheit (13N) sowie das Züchten von HPGe-Einkristallen mit großem Durchmesser (3 Zoll). Die gezüchteten Kristalle wiesen bislang eine Netto-Ladungsträgerkonzentration nahe 10¹⁰ cm⁻³ auf, verbunden mit einer relativ hohen Ladungsträgermobilität (~47000 cm²·V⁻¹·s⁻¹) und niedrigen Defektdichten von etwa 10³ pro cm².
Die Zusammenführung dieser entscheidenden Prozessschritte unter einem Dach ermöglicht eine enge Integration und Kontrolle über die gesamte Wertschöpfungskette der HPGe-Produktion hinweg. Aufbauend auf den bisher erzielten grundlegenden Ergebnissen wird sich das neue Projekt auf die weitere Optimierung und effiziente Skalierung der einzelnen Prozesse (z. B. auf einen Kristalldurchmesser von bis zu 4 Zoll) konzentrieren und die für das LEGEND-1000-Experiment im Tonnenmaßstab erforderliche Materialverarbeitungskapazität für die Produktion großer Materialmengen unterstützen. Parallel dazu sollen das im Rahmen des Projekts entwickelte technologische Know-how und die Fachkenntnisse auch an Industriepartner weitergegeben werden, um eine breitere Aufnahme und Anwendung der fortschrittlichen HPGe-Produktionstechnologien zu ermöglichen.
Kontakt:
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
PD Dr. habil. Radhakrishnan Sumathi
Sektion Halbleiter
Telefon: +49 (0) 30 / 246 499 401
E-Mail
Weitere Informationen:
LEGEND-1000 – Informationen zum geplanten Experiment
