KATRIN: Genauste Waage der Welt soll Neutrinos wiegen


Im Inneren des Hauptspektrometertanks des „Karlsruher Tritium Neutrino Experiments“ (KATRIN), das am 11. Juni 2018 seinen Messbetrieb aufgenommen hat.

Copyright/Quelle: Michael Zacher, KIT

Karlsruhe (Deutschland) – Noch vor 20 Jahren wäre das Bemühen der Messung des Gewichts von Neutrinos von den meisten Wissenschaftlern vermutlich noch belächelt worden, galten Neutrinos bis dahin und im Standardmodell der Teilchenphysik doch als masselos. Erst mit der Entdeckung von Neutrinooszillationen, konnten die Physiker T. Kajita und A. McDonald zeigen, dass Neutrinos eine Masse haben – und wurden dafür 2015 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Welche Masse Neutrinos nun also genau besitzen, diese Frage gehört heute zu den wichtigsten Fragestellungen in der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Mit der Neutrinowaage „KATRIN“ wollen Wissenschaftlern diese nun beantworten.

Neutrinos sind Elementarteilchen, die fast ohne Wechselwirkung durch die Materie reisen und existieren als drei verschiedene Typen: als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos und als deren jeweilige Antiteilchen (den Antineutrinos). Pro Sekunde rasen unbemerkt Billionen von Neutrinos durch unseren Körper, treffen auf die Erdoberfläche und durchdringen alles auf und den Planeten selbst nahezu ungehindert. Sie entstehen durch radioaktive Zerfälle in der Sonne und allen anderen Sternen, wenn diese explodieren (Supernovae) und in Folge anderer kosmischer Ereignisse.

Das „Karlsruher Tritium Neutrino Experiment“ (KATRIN) wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) von einer internationalen Kollaboration in 15-jähriger Bauzeit aufgebaut und hat am 11. Juni 2018 seine mehrjährige Messphase begonnen.

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Die Massenbestimmung von Neutrinos wollen die KATRIN-Wissenschaftler anhand des Beta-Zerfalls von hochreinem Tritiumgas erreichen, bei dem Elektronen und Neutrinos erzeugt werden, deren Energieverhältnis mit KATRIN bestimmt werden soll.

Von der Bestimmung des Neutrinogewichts erhoffen sich Physiker neue Erkenntnisse über unser Universum. Auch für Kosmologen spielen die beim Urknall in großer Anzahl erzeugten Neutrinos als viel zitierte „Geisterteilchen des Universums“ eine Schlüsselrolle beim Verständnis von großräumigen Strukturen im Weltall. Wie groß diese Rolle genau ist, hängt von der Größe ihrer Masse ab, die bisher noch unbestimmt ist. Und bis heute ist die sich von Null unterscheidende Neutrinomasse der einzige im Labor bestätigte Hinweis auf eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells der Teilchenphysiker.

Hintergrund: Wie wiegt man die Neutrinomasse
Bei den später 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 18.600 Elektronenvolt teilen. In extrem seltenen Fällen geht das Neutrino dabei fast „leer aus“, und das Elektron erhält praktisch die gesamte Energie. Durch Einsteins berühmte Formel E=mc² wissen wir, dass das beim Zerfall nicht beobachtbare Neutrino mindestens seine Ruhemasse wegtragen muss, sodass die entsprechende Energie dem Elektron fehlt. Genau diesem winzigen Fehlbetrag von höchstens 0,2 Elektronenvolt (das entspricht der unvorstellbar geringen Masse von 3,6×10-37 Kilogramm) sind die KATRIN-Forscher mit ihrer Neutrinowaage auf der Spur. Sie soll messen, welche maximale Energie die Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium erreichen. Gegenüber früheren Neutrinomassen-Experimenten verfügt KATRIN über eine um einen Faktor 100 intensivere Quelle und stark verbesserte spektroskopische Eigenschaften.
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Die Tritiumquelle besteht aus einem 16 Meter langen hochkomplexen Kryostaten, einem Kühlgerät, das wie alle anderen Komponenten der Quelle im Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) aufgebaut ist. Das TLK mit seiner weltweit einzigartigen Tritium-Infrastruktur gab den Ausschlag, dass KATRIN am KIT steht. Die Elektronen aus der Quelle werden über starke Magnete zum Herzstück von KATRIN geleitet, dem riesigen elektrostatischen Spektrometer. Das Spektrometer ist seit mehreren Jahren der weltgrößte Ultrahochvakuum-Behälter: In seinem Inneren ist der Druck so niedrig wie an der Mondoberfläche. Ein System von aktiven und passiven Pumpsystemen sorgt dafür, dass kein Tritiummolekül von der Quelle ins Ultrahochvakuum des Spektrometers gelangt.

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