Wie schwer sind Neutrinos?

Das Innere des KATRIN Hauptspektrometers

Ende 2017 startet in Karlsruhe die präziseste Waage der Welt mit ihren Messungen. Fünf Jahre lang werden Forscher Daten sammeln, um die Masse des Neutrinos präzise zu bestimmen. Sie hoffen auf neue Erkenntnisse über die Bausteine des Universums.

Neutrinos sind zentral für die Untersuchung des Ursprungs der Materie und bei der Gestaltung der sichtbaren Strukturen im Kosmos. Die Teilchen sind elektrisch neutral und treten mit ihrer Umgebung nur über Gravitation und schwache Kernkraft in Wechselwirkung. Im Standardmodell der Teilchenphysik galten Neutrinos bis vor kurzem als masselos. Beobachtungen in den vergangenen Jahren zeigten aber, dass Neutrinos eine winzige Masse besitzen.

Eine Milliarde Mal leichter als ein Wasserstoffatom

Die Masse muss über eine Milliarde Mal kleiner sein als die eines Wasserstoffatoms – sie ist ein noch ungenau bestimmter Parameter. Um ihn zu messen, entwickeln Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg zusammen Partnern extrem präzise Sensoren und Detektoren für teilchenphysikalische Experimente. Eines davon ist KATRIN – das KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment.

Bei KATRIN wirken verschiedene Technologien und Komponenten zusammen. Ein Elektron muss eine 70 Meter lange Strecke durch das gesamte Experiment nehmen. Der Weg führt durch supraleitende Magnete und Kältefallen, gasgefüllte Bereiche und Vakuum, Zonen mit Temperaturen unter 4 Kelvin und mit Raumtemperatur. Der Betrieb der Bereiche muss optimal aufeinander abgestimmt werden, damit nach einer Flugzeit von wenigen Millionstel Sekunden Elektronen auf den Detektor treffen.

Erste Ergebnisse Mitte 2018

Der Detektor besteht aus Silizium-Halbleitermaterial und hat einen Durchmesser von rund 125 Millimetern. Er beinhaltet 148 Pixel, die ähnlich einer Dartscheibe angeordnet sind und einen räumlichen Blick ermöglichen.

Am Ende soll das internationale Experiment KATRIN die Neutrinomasse mit einer Genauigkeit eingrenzen, die mehr als eine ganze Größenordnung besser sein wird als bislang. Ab dem Jahreswechsel 2017/18 werden dafür Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium – in dem Neutrinos eine tragende Rolle spielen – in einem 24 Meter langen Spektrometer exakt vermessen.

Erste Ergebnisse werden für Mitte 2018 erwartet. Dann wird die Mess-Empfindlichkeit von KATRIN bereits deutlich besser sein als die von allen anderen Tritiumzerfallsexperimenten der letzten 3 Dekaden zusammen. Die endgültige geplante Sensitivität erreicht KATRIN aber erst nach fünf Kalenderjahren Messzeit.

Bild: © Karlsruher Institut für Technologie (KIT) / Das Innere des KATRIN-Hauptspektrometers