Die Neutrino-Waage geht in Betrieb

Wie schwer sind Neutrinos? Diese Frage ist viel leichter gestellt als beantwortet. Experimente zu Neutrinooszillationen liefern nur Differenzen zwischen Massenquadraten, nicht aber die absoluten Massen. Das soll sich nun mit dem Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN ändern, das am 11. Juni feierlich eingeweiht wurde. Anwesend waren die beiden Physik-Nobelpreisträger von 2015 Arthur B. McDonald (Queens University, Kanada) und Takaaki Kajita (Tokyo University, Japan).

Bis heute ist die von Null verschiedene Neutrinomasse der einzige im Labor bestätigte Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Auch für die Kosmologie spielen die beim Urknall in großer Anzahl erzeugten Neutrinos als „Geisterteilchen des Universums“ eine Schlüsselrolle beim Verständnis von großräumigen Strukturen im Weltall. Wie groß diese Rolle genau ist, hängt vom absoluten Wert der Neutrinomasse ab.

Bei den 100 Milliarden Beta-Zerfallsprozessen von molekularem Tritium pro Sekunde in der Tritiumquelle von KATRIN entstehen jeweils ein Elektron und ein Neutrino, die sich die Zerfallsenergie von 18,6 keV teilen. Da sich die Neutrinos aus dem Tritiumzerfall nicht direkt nachweisen lassen, versucht man, das Energiespektrum der Elektronen mit höchster Genauigkeit zu messen. Durch Einsteins berühmte Formel E = mc² ist bekannt, dass das beim Zerfall nicht beobachtbare Neutrino mindestens seine Ruhemasse wegtragen muss. Dieser „Fehlbetrag“ bei der Energie des Elektrons liegt bei höchstens 0,2 Elektronenvolt, was einer unvorstellbar geringen Masse von 3,6 × 10-37 Kilogramm entspricht.

Um das kaum wechselwirkende Neutrino auf diese Weise „wiegen“ zu können, ist eine insgesamt 70 Meter lange Versuchsanlage notwendig, für die viele technische Neuerungen nötig waren. „Eine besondere Erfolgsgeschichte sind das ultrapräzise Hochspannungssystem und das 700 Quadratmeter große Drahtelektrodensystem für das große Spektrometer. Ohne derartige Entwicklungen würde KATRIN nicht die gewünschte Empfindlichkeit erreichen können“, erläutert Christian Weinheimer von der Universität Münster, der gemeinsam mit Guido Drexlin vom KIT wissenschaftlicher Sprecher von KATRIN ist.

Die Tritiumquelle besteht aus einem 16 Meter langen hochkomplexen Kryostaten. Die Elektronen aus der Quelle werden über starke Magnete zum riesigen elektrostatischen Spektrometer geleitet. Dieses wurde 2006 in einer aufsehenerregenden Reise vom Hersteller in Oberbayern auf dem Schiffsweg über die Donau, das Mittelmeer und dann rheinaufwärts zum KIT gebracht. Das Spektrometer ist seit mehreren Jahren 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. Gerade die ersten Wochen der Datennahme werden besonders spannend werden, da wir dann bereits in experimentelles Neuland vorstoßen können“, betont die Physikerin Kathrin Valerius, die am KIT eine Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe leitet und zusammen mit Susanne Mertens vom MPI für Physik und Diana Parno von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh die Arbeiten des internationalen Analyseteams koordiniert.

Nach den vielen Herausforderungen auf dem Weg zum Start von KATRIN freuen sich die Forscherinnen und Forscher auf spektakuläre und überraschende Resultate. Auch hier ist wieder Ausdauer und Geduld gefragt, denn die Messungen werden vermutlich bis in das nächste Jahrzehnt hinein andauern.

KIT / Alexander Pawlak

Weitere Infos

• Homepage des KATRIN-Experiments (KIT)
• M. Pfalz, Neutrinos auf der Waage, Physik Journal, November 2016, S. 11
• G. Drexlin, M.Lindner und Ch.Weinheimer, Physik-Nobelpreis 2015: Wandelbare Geisterteilchen,  Physik Journal, Dezember 2015, S. 24
• M. Lindner und Ch. Weinheimer, Den Geisterteilchen auf der Spur, Physik Journal, Juli 2011, S. 31

Weitere Beiträge

• H.-T. Janka, Zündende Neutrinos, Physik Journal, März 2018, S. 47
• G. Drexlin und K. Valerius, Folgenreicher Nachweis, Physik Journal, Oktober 2017, S. 24
• A. Hardy, Querkopf mit langem Atem (Physik Journal Nachrichten, 14. Oktober 2014)
• G. Drexlin, Keine Hinweise auf „sterile“ Neutrinos, Physik Journal, Juni 2007, S. 24
• T. Kirsten und J. Trümper, Physik-Nobelpreis 2002: Neue Fenster ins All, Physik Journal, Dezember 2002, S. 22