Messmethode der Neutrinophysik auf dem Prüfstand

Wie schwer sind Neutrinos? Nach dem Standard­modell der Elementar­teilchen­physik sind sie masselos, aber seit der Entdeckung der Neutrino-Oszil­la­tionen ist klar, dass sie eine – wenn auch winzige – Masse haben müssen. Diese periodische Umwandlung eines Neutrinos in eine andere der drei Sorten löst das einst rätsel­hafte vermeint­liche Sonnen­neutrino-Defizit auf. Bis heute sind nur obere Grenzen der Neutrino­masse bekannt, die bestätigen, dass sie äußerst klein ist. Das macht eine direkte Massen­messung zu einer heraus­fordernden Aufgabe.

Ein viel­ver­sprechender Ansatz ist die präzise Vermessung des radio­aktiven Beta-Zerfalls, wenn in einem Atomkern ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zerfällt, oder umgekehrt des Elektron­einfangs durch ein Proton, das sich dabei in ein Neutron umwandelt, wobei ebenfalls ein Neutrino freigesetzt wird. Zwar kann man die emittierten Neutrinos hier nicht direkt nachweisen, allerdings sämtliche restliche beim Zerfall frei­gesetzte Energie. Ein Vergleich mit der maximal zur Verfügung stehenden Energie des Zerfalls ergibt dann die Neutrino­masse. Dazu muss man beide Werte mit hoher Genauig­keit aus dem Energie­spektrum und dessen extra­polierter Maximal­energie bestimmen. Daran arbeitet beispiels­weise das Karlsruhe TrItium Neutrino Experiment KATRIN.

Andererseits steht die maximal zur Verfügung stehende mit der Massen­differenz zwischen Mutter- und Tochter­atom in Verbindung. Um diese sehr präzise – und unabhängig vom Zerfalls­prozess – zu messen, ist Massen­spektro­metrie in Penning­fallen eine hervor­ragende Methode.

Das in der Natur häufigste Rhenium-Isotop ist das mit der Massenzahl 187. Es zerfällt mit sehr langer Halb­wert­zeit zum stabilen Osmium-187, und die Massen-Energie-Differenz ist mit wenigen Kilo­elektronen­volt außer­ordent­lich gering. Eine direkte, hoch­präzise Bestimmung der winzigen Massen­differenz zwischen beiden Atomen in Form der 29-fach positiv geladenen Ionen gelang nun Mitgliedern der Abteilung von Klaus Blaum am MPI für Kernphysik mit ihrer Pentatrap-Apparatur. Um die gesuchte Massen­differenz zwischen den neutralen Atomen zu erhalten, hat die Gruppe um Zoltan Harman in der Abteilung von Christoph Keitel am MPIK die Bindungs­energie der fehlenden 29 Elektronen genauestens berechnet. Das ist die Energie, die man aufwenden muss, um diese Elektronen aus dem neutralen Atom zu entfernen.

Pentatrap ist eine Anordnung von fünf zylindrischen Penning­fallen, die sich in einem starken supraleitenden Magneten befindet. „Wir haben den Fallen­turm zuerst mit einem Rhenium-Ion, dann einem Osmium-Ion und wieder einem Rhenium-Ion beladen, so dass die drei Ionen in benach­barten Einzelfallen gefangen waren“, erklärt Sergey Eliseev, der die Messungen geleitet hat, die Vorgehens­weise. „Dann haben wir die Bewegung, genauer die Umlauf­frequenzen, von einem Rhenium- und dem Osmium-Ion in ihren Fallen gleich­zeitig vermessen und anschließend alle Ionen um eine Falle verschoben, sodass die Einzel­fallen jetzt mit dem jeweils anderen Ion gefüllt waren. Danach haben wir die Messung in denselben Fallen fort­ge­setzt und die Prozedur vielfach wiederholt.“ Das und weitere Maßnahmen haben Stör­ein­flüsse und damit die systema­tischen Unsicher­heiten stark reduziert. Aus dem so bestimmten Verhältnis der Umlauf­frequenzen ergibt sich die Massen­differenz zwischen den beiden 29-fach geladenen Ionen – und zwar mit einer Genauig­keit von etwa einem Elektronen­volt. Das ist die bisher präziseste Massen­ver­hältnis-Bestimmung über­haupt.

„Die Bindungs­energie der äußeren 29 Elektronen in Rhenium und Osmium haben wir mit drei verschiedenen relati­vis­tischen quanten­theo­re­tischen Methoden sehr aufwändig berechnet“, berichtet Chunhai Lyu. „Diese Rechnungen, die die gegen­seitige Wechsel­wirkung der vielen Elektronen präzise berück­sichtigen müssen, liefen mehrere Wochen lang auf hunderten von Prozessoren auf unserem Computer­cluster. Erfreu­licher­weise ist das Ergebnis für die Differenz der Bindungs­energien bei allen drei Methoden sehr ähnlich und insgesamt auf ein Elektronen­volt genau.“

Damit hat das Team die Massen­differenz für den Betazerfall von Rhenium-187 zu Osmium-187 berechnet, sie beträgt 2470,9 ± 1,3 eV und stimmt damit sehr gut mit den Werten überein, die bei früheren Messungen mittels kryogener Mikro­kalori­metrie erhalten wurden. „Das bedeutet“, fasst Eliseev zusammen, „dass das zugrunde liegende theoretische Modell des Beta­zerfalls gültig und Mikro­kalori­metrie eine zuver­lässige und mindestens im Bereich einiger Elektronen­volt genaue Methode in der Neutrino­forschung ist. Allerdings könnten Fest­körper­effekte in Rhenium-Kristallen die mit Mikro­kalori­metrie bestimmte Zerfalls­energie um einige eV verändern. Um diese Effekte zu erforschen, sind weitere Messungen mit Ungenauig­keiten von weniger als einem Elektronen­volt erforderlich.“

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Filianin et al.: Direct Q-Value Determination of the β− Decay of ¹⁸⁷Re, Phys. Rev. Lett. 127, 072502 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.072502
• Gespeicherte und gekühlte Ionen (K. Blaum), Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
• Ionic Quantum Dynamics and High-Precision Theory (Z. Harman), Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

Weitere Beiträge

• K. Blaum, S. Sturm und S. Ulmer, In die Falle gegangen, Physik Journal, Januar 2017, S. 31