Neutrinos wiegen mit KATRIN

Neutrinos sind zwar die häufigsten Elementar­teilchen im Universum, doch sie geben Wissen­schaftlern noch immer viele Rätsel auf. Da sie kaum mit Materie wechselwirken, ist es eine Heraus­forderung, ihre genauen Eigenschaften zu bestimmen. So ist etwa die Masse der Neutrinos derzeit nicht bekannt, spielt aber in der Teilchen­physik und Kosmologie eine entscheidende Rolle. Innerhalb der Verbundforschung beteiligen sich mehrere Arbeitsgruppen am Experiment KATRIN: In diesem Jahr wollen sie damit anfangen, die Neutrinomasse zu vermessen.

Ständig durchdringen uns Milliarden von Neutrinos – völlig ungehindert. Sie stammen vor allem aus der Sonne, werden aber auch etwa bei Supernova-Explosionen in großer Anzahl erzeugt, oder sind noch als Überbleibsel des Urknalls im heutigen Universum vorhanden. Da sie elektrisch neutral sind, treten die Elementarteilchen nicht über die elektromagnetische Kraft mit Licht und Materie in Wechsel­wirkung, sondern lediglich über die schwache Wechselwirkung. Daher wechselwirken Neutrinos nur extrem selten mit anderer Materie oder Teilchen. Diese Eigenschaft macht es extrem schwierig, die Masse von Neutrinos zu bestimmen. Tatsächlich ging man sogar lange davon aus, dass diese Teilchen keine Masse besitzen.

Das Spektrometer wird angeliefert

Erst der Nachweis von sogenannten Neutrinooszillationen – 2015 gab es für deren Entdeckung den Physiknobelpreis – zeigte, dass diese Elementarteilchen eine Masse besitzen. Denn nur in diesem Fall lässt sich erklären, dass sich die drei Sorten von Neutrinos ineinander umwandeln können. Wie viel Elektronen-, Myon- und Tauneutrinos aber jeweils wiegen, ist nicht bekannt. Es gibt lediglich Abschätzungen: „Dem kosmologischen Standardmodell zufolge beträgt die Masse aller drei Neutrinoarten zusammen nicht mehr als 230 Millielektronenvolt“, erklärt Christian Weinheimer von der Universität Münster. In der Teilchenphysik geben Wissen­schaftler die Masse eines Teilchens oft in Elektronen­volt an, obwohl es sich dabei eigentlich um eine Einheit für die Energie des Teilchens handelt. Gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc² sind Energie und Masse allerdings äquivalent, und die Umrechnung somit zulässig.

„Allerdings wissen wir nicht, ob wir diesem Wert im vollen Umfang tatsächlich vertrauen können, schließlich kennen wir innerhalb dieses Modells 95 Prozent der Energiedichte des Universums nicht“, fährt Weinheimer fort. Das kosmologische Standardmodell beschreibt die Entstehung und Entwicklung des Universums und stimmt bislang mit den meisten Beobachtungen sehr gut überein.

Wichtig für Kosmologie und Standardmodell

Allerdings enthält es zwei große Unbekannte: Das ist zum einen die Dunkle Energie, die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird. Zum anderen entfällt ein großer Teil der Masse im Weltall auf bisher rätselhafte Dunkle Materie, die nur über ihre Schwerkraft und wahrscheinlich über die schwache Wechselwirkung mit anderer Materie wechselwirkt.

Aber auch für das Standardmodell der Teilchenphysik ist die Neutrinomasse wichtig. „Die Frage ist, ob das Higgs-Boson tatsächlich allen Teilchen ihre Masse so verleiht, wie wir bislang annehmen“, erklärt Weinheimer. „Denn alle uns bekannten Elementarteilchen wechselwirken auf ähnliche Art und Weise mit dem Higgs-Boson. Nun sind Neutrinos aber so viel leichter als Elektronen oder Quarks und elektrisch neutral, dass sich prinzipiell für sie andere Möglichkeiten ergeben, an das Higgs-Boson zu koppeln. Und das würde den Weg für eine neue Physik öffnen.“

Das Spektrometer wird installiert

Bislang konnte in direkten Messungen, die nicht etwa auf dem Standardmodell der Kosmologie basieren, lediglich eine Obergrenze für die Neutrinomasse festgelegt werden, die bei zwei Elektronenvolt liegt. Zum Vergleich: Ein Elektronen wiegt 511 Kiloelektronenvolt, ist also mindestens 250 000-mal schwerer. Weltweit haben sich Forscher das ehrgeizige Ziel gesetzt, die Neutrinomasse genau zu bestimmen – auch im Rahmen der Verbundforschung mit dem Karlsruher Tritium Neutrino Experiment, kurz KATRIN. „KATRIN kann eine Neutrinomasse im Bereich bis 200 Millielektronenvolt sehen“, bestätigt Weinheimer.

Dafür nutzen die Wissenschaftler den sogenannten Betazerfall, bei dem ein Neutron in einem Atomkern zerfällt und dabei ein Elektron sowie ein Elektronantineutrino aussendet, dessen Masse dem des Elektronneutrinos entspricht. „KATRIN nutzt Tritium, also superschweren Wasserstoff“, beschreibt Weinheimer. „Tritium ist als ein Wasserstoffisotop atomphysikalisch gesehen eines der einfachsten Systeme.“ Tritium enthält neben einem positiv geladenen Proton auch zwei elektrisch neutrale Neutronen und ist instabil: Mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren zerfällt es in ein Heliumisotop, das ein Neutron und zwei Protonen enthält, sowie in ein Elektron und ein Neutrino, genauer ein Elektronantineutrino.

KATRIN nutzt den Betazerfall

In diesem Zerfall wird eine Energie von insgesamt 18,6 Kiloelektronenvolt frei, die auf das Elektron und das Neutrino aufgeteilt wird. Wie genau sich die Energie zwischen den beiden Teilchen aufteilt, kann variieren. Das entstehende Elektron kann also eine Energie von Null bis hin zu den gesamten 18,6 Kiloelektronenvolt haben – aber nur wenn das Neutrino keine Masse besitzt. Hat das Neutrino aber eine Masse, dann muss genau dieser Anteil gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie auf das Neutrino entfallen und das Elektron kann nie die Maximalenergie von 18,6 Kiloelektronenvolt auf sich versammeln. Deshalb muss das Energiespektrum der Elektronen in diesem Bereich die Neutrinomasse verraten.

Neben der komplexen Tritiumquelle ist das Herzstück von KATRIN deshalb ein zehn Meter breites und 24 Meter langes Hochleistungsspektrometer, das die Energie der Elektronen präzise vermessen soll. „Das Spektrometer hat eine extrem hohe Energieauflösung von 0,93 Elektronenvolt“, erläutert Weinheimer. Diese Auflösung ist nötig, um den winzigen, für die Neutrinomasse relevanten Bereich am Ende des Energiespektrums genau vermessen zu können. „Darüber hinaus akzeptiert das Spektrometer einen sehr großen Raumwinkel, zwischen 0 und 51 Grad zur Strahlachse. Das ist besonders viel, normale Spektrometer sind für einen viel kleineren Bereich sensibel “

Das KATRIN Experiment

Innerhalb der Verbundforschung sind fünf Arbeitsgruppen an allen Aspekten des Experiments beteiligt: KATRIN selbst befindet sich am Karlsruher Institut für Technologie, dessen universitäre Gruppe sich unter anderem um die Systematik und Kalibrierung der Tritiumquelle sowie die Untergrundprozesse im Spektrometer kümmert. Die Forscher um Christian Weinheimer von der Universität Münster hat das Elektrodensystem des Spektrometers gebaut und führt Analysen sowie präzise Hochspannungsmessungen am Spektrometer durch . Die Gruppe der Universität Wuppertal beschäftigt sich mit Studien zur Systematik und überwacht die Zählrate der Betazerfälle. Die Wissenschaftler aus Fulda steuern ein magnetisches Sensornetzwerk bei, die von der Universität Bonn die Kalibrierungsquelle zur Energiekalibrierung.

„Inzwischen sind alle Komponenten für KATRIN da“, beschreibt Weinheimer den Status des Experiments. „Seit dem Herbst 2015 werden sie miteinander verbunden. Weinheimer rechnet damit, dass KATRIN im Sommer oder Herbst 2016 mit den Messungen starten wird. Dabei rechnen die Wissenschaftler mit einer etwa fünfjährigen Laufzeit des Experiments, bis sie aussagekräftige Ergebnisse vorlegen können. Grund dafür ist die Statistik: „Wir haben zwar 10¹¹ Betazerfälle pro Sekunde“, sagt Weinheimer. „Aber diese decken natürlich das ganze Energiespektrum ab. Uns interessiert aber nur das letzte Elektronenvolt des Spektrums, und das betrifft lediglich 2 × 10^-13 aller Zerfälle. Anders ausgedrückt: Rein statistisch gesehen gibt es nur einmal pro tausend Sekunden ein interessantes Ereignis.“