Masse des Neutrinos eingegrenzt

Geisterteilchen auf der „Waage“: Physikern ist es gelungen, die Masse der rätselhaften Neutrinos näher einzugrenzen. Mithilfe des Experiments KATRIN engten sie den Massenbereich dieser Elementarteilchen um die Hälfte ein. Demnach müssen die Neutrinos mindestens 500.000-fach leichter sein als ein Elektron. Das Wissen um die Neutrinomasse könnte klären helfen, woraus die Dunkle Materie besteht und ob es eine Physik jenseits des Standardmodells gibt.

Neutrinos gehören zu den häufigsten Elementarteilchen im Universum – und sind trotzdem echte „Sonderlinge“. Denn sie wechselwirken kaum mit anderer Materie und rasen daher billionenfach durch unseren Körper, ohne dass wir es spüren. Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik galten diese „Geisterteilchen“ lange als masselos. Doch dann entdeckten Physiker, dass es verschiedene Neutrinosorten gibt, die sich ineinander umwandeln können – und dass die Partikel sehr wohl eine geringe Masse besitzen müssen.

Doch wie groß ist die Masse eines Neutrinos? Genau beantworten kann diese Frage bisher niemand. Bisher wusste man nur, dass die Teilchen irgendetwas zwischen 2 und 0,02 Elektronenvolt wiegen müssen. „Wenn man die Masse der Neutrinos wüsste, dann würde man fundamentale Fragen in der Kosmologie, der Astrophysik und der Teilchenphysik beantworten können“, erklärt Hamish Robertson von der University of Washington.

Aufbau des KATRIN-Experiments im Überblick. © Steffen Lichter/ KIT

Eine „Waage“ für die Geisterteilchen

Das Problem: Man kann ein Neutrino nicht einfach auf eine Waage legen. Deshalb haben Physiker aus sieben Ländern das Experiment KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie ins Leben gerufen. Diese Anlage ermöglicht es die Masse von Neutrinos indirekt zu ermitteln. Dafür wird radioaktives Tritiumgas genutzt, dass im Betazerfall ein Elektron und ein Neutrino mit der Gesamtenergie von 18.600 Elektronenvolt freisetzt.

In einigen dieser Zerfälle jedoch erhält das Neutrino davon nur den Anteil, der in etwa seiner Ruhemasse entspricht. Zwar kann KATRIN das Neutrino nicht direkt einfangen und messen, wohl aber das Elektron, das die gesamte Restenergie auf sich vereint. Indem die Physiker dann ermitteln, wie viel Energie fehlt, können sie auf die Energie und – über Einsteins Formel E=mc² – damit auch auf die Masse des Neutrinos schließen.

500.000-mal leichter als ein Elektron

Soweit die Theorie. Aber würde dies auch in der Praxis funktionieren? Das haben nun die ersten Betriebswochen von KATRIN gezeigt. Denn nach Auswertung der ersten Daten von rund zwei Millionen Elektronen konnten die Physiker den Massenbereich des Neutrinos schon um die Hälfte einschränken. Demnach muss seine Masse unterhalb von einem Elektronenvolt liegen. Damit wiegt ein Neutrino mindestens 500.000-mal weniger als ein Elektron.

„Dass KATRIN nach einer Messkampagne von nur wenigen Wochen nun bereits die weltbeste Sensitivität für die Neutrinomasse besitzt und die mehrjährigen Messungen der Vorgängerexperimente um einen Faktor zwei verbessert, zeigt das außerordentlich hohe Potential unseres Projekts“, betonen KATRIN-Sprecher Guido Drexlin vom KIT und Christian Weinheimer von der Universität Münster.

Erst der Anfang

Doch das ist erst der Anfang. In der nahen Zukunft soll das KATRIN-Experiment die Neutrinomasse noch weiter eingrenzen und sich so dem tatsächlichen Wert immer weiter annähern. „Wenn wir diesen Wert dann erstmal kennen, wird uns dies so viel verraten“, sagt Doe. So könnte dies klären helfen, ob es vielleicht doch eine exotische vierte Neutrinovariante gibt, ob diese Teilchen hinter der Dunklen Materie stecken und ob es physikalische Prozesse und Phänomene jenseits des Standardmodells gibt.

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie, University of Washington