Wie schwer sind Neutrinos? Eine Antwort auf diese entscheidende Frage könnte bald in Karlsruhe gefunden werden. Denn dort ist nun die genaueste Neutrino-„Waage“ der Welt in Betrieb gegangen. Das aufwändige und gewaltige Experiment soll die Masse der rätselhaften „Geisterteilchen“ bestimmen helfen und so eine der wichtigsten Fragestellungen in der modernen Teilchenphysik und Kosmologie klären.
Neutrinos sind ebenso allgegenwärtig wie rätselhaft. In jeder Sekunde rasen von uns völlig unbemerkt Billionen dieser Elementarteilchen durch unseren Körper und den gesamten Planeten. Die „Geisterteilchen“ entstehen bei radioaktiven Zerfällen, in der Sonne, aber auch in Supernovae und anderen kosmischen Katastrophen.
Doch nicht masselos
Doch eine fundamentale Eigenschaft der Neutrinos ist bisher ungeklärt: ihre Masse. „Erst seit knapp zwei Jahrzehnten wissen wir, dass Neutrinos überhaupt eine Ruhemasse besitzen“, erklärt Guido Drexlin vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Denn dem Standardmodell nach galten diese Teilchen als masselos. Erst der Nachweis der Neutrino-Oszillation – die Umwandlung einer Neutrinoart in eine andere – widerlegte dies.
Wie groß aber die Masse der verschiedenen Neutrinos genau ist, lässt sich bisher nur indirekt bestimmen. Die Werte sind daher bisher nur Näherungen – sie grenzen den tatsächlichen Wert nur ein. Weil aber das Verhalten und die Effekte der Neutrinos im Teilchenzoo entscheidend von ihrer Masse abhängen, ist die genaue Kenntnis ihrer Masse auch für die Kosmologie und Physik insgesamt wichtig.
Fehlende Energie verrät die Masse
Diese Frage soll nun die neue „Neutrino-Waage“ KATRIN klären. Sie wurde am 11. Juni am KIT offiziell eingeweiht und nimmt nun ihren Messbetrieb auf. „KATRIN ist ein Experiment der Superlative und wird die Erkenntnisse über unser Universum um ein entscheidendes Puzzleteil ergänzen“, sagt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek.
Das Prinzip der neuen „Waage“: Ein Tritiumvorrat erzeugt durch radioaktive Beta-Zerfallsprozesse jeweils ein Elektron und ein Neutrino – insgesamt sind es rund 100 Milliarden pro Sekunde. Bei jedem dieser Zerfälle wird die Energie von 18.600 Elektronenvolt freigesetzt, die sich die beiden entstehenden Teilchen teilen. Aus Einsteins Formel E=mc² geht hervor, dass das Neutrino dabei mindestens seine Ruhemasse an Energie mitbekommen muss.
Und hier kommt nun das Herzstück von KATRIN ins Spiel – das Spektrometer. Dieser mehr als zehn Meter dicke und rund 25 Meter lange tonnenförmige Detektor fängt die Elektronen ein und misst ihre maximale Energie mit hoher Präzision. Die Energie, die den Elektronen bei den Messungen gegenüber dem Gesamtwert fehlt, muss auf das Neutrino entfallen. So lässt sich indirekt dessen Masse bestimmen. Diese liegt bisherigen Kalkulationen nach unterhalb von 0,2 Elektronenvolt – das entspricht der unvorstellbar geringen Masse von 3,6 x 10-37 Kilogramm.
„Experimentelles Neuland“
Wie groß genau die Masse der Neutrinos ist, hoffen die Physiker nun mithilfe von KATRIN herauszubekommen. Damit dies gelingt, ist das Spektrometer extrem sensibel und noch dazu der weltgrößte Ultrahochvakuum-Behälter: In seinem Inneren ist der Druck so niedrig wie an der Mondoberfläche.
„Die einzigartigen Eigenschaften von Quelle und Spektrometer sind von großer Wichtigkeit für die komplexe Datenauswertung“, sagt Kathrin Valerius vom KIT. „Gerade die ersten Wochen der Datennahme werden besonders spannend werden, da wir dann bereits in experimentelles Neuland vorstoßen können.“
(Karlsruher Institut für Technologie, 12.06.2018 – NPO)
