Wie schwer sind Neutrinos?

Flüchtige Leichtgewichte auf der Waage

Von Manfred Lindinger
 - 18:08
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In Karlsruhe steht die größte Waage der Welt. Sie ist 23 Meter lang, zehn Meter breit und mit 200 Tonnen selbst ein Schwergewicht. Gesamtkosten mehr als 50 Millionen Euro. Was an eine umgefallene Thermoskanne erinnert, ist ein gigantischer Vakuumtank, in dem ein empfindliches Elektronen-Spektrometer steckt. Mit diesem Instrument wollen 200 Forscher aus sieben Ländern äußerst flüchtige Leichtgewichte wiegen: Neutrinos.

Diese ungeladenen Elementarteilchen sind zwar die häufigsten Bausteine des Universums – jeder Kubikzentimeter im All enthält Hunderte von ihnen. Wie viel Neutrinos genau wiegen, wissen die Wissenschaftler aber bis heute nicht. Dabei ist das eine der wichtigsten Fragen der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Rasen Neutrinos doch fast mit Lichtgeschwindigkeit seit dem Urknall durch das Universum und beeinflussen die Evolution des Kosmos. Will man die Entwicklung des Universums verstehen, muss man wissen, wie schwer diese Teilchen wirklich sind. Wie viel Neutrinos nun genau auf die Waage bringen, soll in den kommenden fünf Jahren das „Karlsruher Tritium Neutrino Experiment“ (kurz „Katrin“) beantworten. Nach einer Bauzeit von mehr als fünfzehn Jahren und einer längeren Testphase ist die Neutrino-Waage am Montag offiziell in Betrieb genommen worden.

Neutrinos entstehen beim sogenannten radioaktiven Beta-Zerfall etwa in Kernreaktoren oder werden massenhaft im Inneren der Sonne gebildet, wenn dort Atomkerne verschmelzen. Auch bei Kernreaktionen in der Höhenstrahlung entstehen Neutrinos. Pro Sekunde durchqueren Abermilliarden dieser Teilchen die Erde, ohne dabei irgendwelche Spuren zu hinterlassen. Denn diese Partikel reagieren kaum mit normaler Materie. Entsprechend schwierig ist es, diese Geisterteilchen einzufangen und ihnen Eigenschaften wie die Masse zu entlocken. Dabei wäre der genaue Wert der Neutrinomasse für Kosmologen und Teilchenphysiker gleichermaßen von fundamentaler Bedeutung. Seit langem werden Neutrinos als Kandidaten für die „heiße“ dunkle Masse gehandelt, die seit dem Urknall offenkundig für die Ausbildung und die Verteilung der großen Strukturen im Universum mitverantwortlich ist. Je größer die Masse ist, desto stärker ist auch der Einfluss der Neutrinos.

Lange waren Neutrinos nur ein Hirngespinst. 1930 hatte Wolfgang Pauli erstmals ernsthaft über ihre Existenz spekuliert, als er erkannte, dass ohne ein solches Teilchen beim Beta-Zerfall zwei unumstößliche Prinzipien der Physik verletzt würden - die Erhaltung der Energie und des Drehimpulses. Pauli behob diese Schwierigkeit mit einem Trick: Er postulierte, dass beim Beta-Zerfall zusammen mit dem Elektron noch ein weiteres Teilchen entstünde, das extrem flüchtig sein würde und keine elektrische Ladung sowie keine Masse haben sollte und den fehlenden Energiebetrag mitnehmen würde. Doch erst 1956 konnten Frederick Reines und Clyde Rowan mit ihrem legendären „Poltergeist“-Experiment am Los Alamos National Laboratory die fiktiven Teilchen, die von einem Kernreaktor produziert wurden, tatsächlich nachweisen.

Der einsame Rekordwert aus Mainz und Troitsk

Die Frage, ob Neutrinos überhaupt eine Masse besitzen, ließ sich erst noch viel später definitiv beantworten. Ende der neunziger Jahre fanden Wissenschaftler mit dem Super-Kamiokande-Detektor, der in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka in einer unterirdischen Mine untergebracht war, deutliche Hinweise dafür, dass sogenannte Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre erzeugt werden, sich in eine andere Neutrinoart umwandeln können. Die Entdeckung wurde 2015 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt. Derartige Neutrino-Oszillationen, die man mittlerweile vielfach auch bei solaren und künstlich erzeugten Neutrinos beobachtet hat, sind nur möglich, wenn diese Teilchen eine Masse besitzen. Wie groß diese ist, ist - trotz der vielen Bemühungen, die Neutrinos zu wiegen - bislang offengeblieben.

Seit Anfang der achtziger Jahre hat es immer wieder Versuche gegeben, unter Laborbedingungen die Masse der Neutrinos zu ermitteln Den Rekord halten seit über zehn Jahren Forscher von der Universität Mainz und vom Institut für Kernforschung in Troitsk. Ihre ermittelte obere Schranke der Elektron-Neutrinomasse beläuft sich auf 2,3 Elektronenvolt. Zum Vergleich: Das Elektron, das leichteste geladene Teilchen, ist etwa 200.000 Mal so schwer. Da weder die Mainzer noch die Troitsker Forscher die absolute Masse von Elektron-Neutrinos ermitteln konnten und die Mess-Empfindlichkeit ausgereizt war, hatte man im Jahr 2001 Pläne für ein neues Spektrometer mit einer deutlich höheren Auflösung und Empfindlichkeit geschmiedet: Das Ergebnis der jahrelangen Bemühungen lässt sich seit einiger Zeit in einem Labor des Karlsruher Instituts für Technologie in Eggenstein-Leopoldshafen bestaunen.

Weil man Neutrinos nicht einfach auf eine Waage legen kann, haben die Wissenschaftler bei Katrin einen Umweg eingeschlagen, und zwar über den radioaktiven Zerfall von Tritium. Zerfällt diese schwere Wasserstoffisotope, entsteht ein Elektron und ein Neutrino. Dabei wird Energie frei. Diese verteilt sich auf beide Teilchen. Bei den Messungen nutzt man die Tatsache, dass die Neutrino aufgrund ihrer Masse die Form des Energiespektrums der Elektronen auf charakteristische Weise verändert. Dies gilt vor allem für den Endpunkt des Energiespektrums, wo besonders energiereiche Elektronen und entsprechend langsame Neutrinos entstehen. Die Forscher wollen deshalb die Elektronenenergie in der Umgebung dieses Punkts mit dem hochauflösenden Elektronen-Spektrometer von Katrin vermessen und daraus die Masse der Neutrinos ermitteln.

Die größte Waage für die genauesten Messungen

Die Elektronen werden mit einer externen Tritiumquelle in großer Zahl erzeugt und mit starken Magnetfeldern durch das Spektrometer zu einem Detektor geführt. Entlang dieses Weges müssen die Elektronen eine Hürde überwinden, die durch eine Hochspannung erzeugt wird. Nur jene Elektronen, deren Energie ausreicht, den elektrostatischen Potentialberg zu überwinden, gelangen zum Detektor. Dort werden sie dann gezählt. Indem die Forscher die Höhe des Bergs variieren, können sie die Form des Elektronenspektrums vermessen. Daraus lässt sich schließlich die Neutrinomasse ableiten. Und die gewaltige Dimension des gesamten Spektrometers erlaubt es, das sehr genau zu tun. Oder mit anderen Worten: Je größer die Waage, desto präziser die Messung der winzigen Teilchen.

Dass alle Komponenten von „Katrin“ funktionieren, haben die Wissenschaftler in den vergangenen Monaten in zahlreichen Testmessungen zeigen können. Seit kurzem liefert auch die hochkomplexe Tritiumquelle - ihr Bau hat allein zehn Jahre gedauert - einen stabilen Elektronenstrahl. Am Montag präsentierten sie bei der feierlichen Inbetriebnahme das erste gemessene Energiespektrum von Elektronen aus der Tritium-Quelle. Nun wird es wohl nicht mehr allzu lange dauern, bis man bei „Katrin“ auch mit dem ersten Wert für die Neutrinomasse aufwarten kann.

Katrins spektakuläre Anreise

„Katrin ist ein Wunder der Technik“, schwärmt Ernst Otten. Der Emeritus von der Universität Mainz ist einer der Gründerväter von Katrin. In Mainz hat er viele Jahre die früheren Messungen an dem Vorläuferexperiment geleitet. „Der Weg war voller Herausforderungen. Jetzt stehen wir am Start, und freuen uns auf spektakuläre und überraschende Resultate“, sagen Projektleiter Guido Drexlin und Co-Sprecher Christian Weinheimer von der Universität Münster.

Die Präzisionswaage hatte schon im Jahr 2006 für Aufsehen gesorgt. Das 200 Tonnen schwere Vakuumgefäß, das im 340 Kilometer Luftlinie entfernten Deggendorf aus nichtmagnetischem Edelstahl gefertigt wurde, musste wegen seiner Größe einen fast 9000 Kilometer langen Umweg auf sich nehmen, der mehrere Wochen dauerte. Dieser führte zunächst per Schiff flussabwärts über die Donau zum Schwarzen Meer, dann nach einer teils stürmischen Fahrt durch das Mittelmeer zum Atlantik bis nach Rotterdam. Von da an ging es auf einem Ponton den Rhein flussaufwärts bis nach Eggenstein-Leopoldshafen. Der letzte Abschnitt bis zum Forschungszentrum wurde mit einem Schwerlasttransporter im Schritttempo zurückgelegt. Unter den Augen mehrerer tausend Zuschauer schob sich der Koloss an den Häusern vorbei. Eine wahre Präzisionsarbeit: Der Spielraum betrug zum Teil nur wenige Zentimeter.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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