Geisterteilchen auf der Waage

Wie leicht sind denn nun Neutrinos?

Von Manfred Lindinger
16.02.2022
, 13:58
Blick in das Innere des Hauptspektrometers des KATRIN-Experiments zur Bestimmung der Neutrinomasse.
In Karlsruhe haben Physiker mit einer riesigen „Waage“ die Masse von Neutrinos vermessen. Die ungeladenen Geisterteilchen sind leichter als gedacht. Das hat physikalische Konsequenzen.
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Sie kommen aus der Tiefe des Universums, werden im Inneren der Sonne erzeugt, entstehen in der Höhenstrahlung oder dringen aus dem Erdinnern hervor – Neutrinos sind die bei weitem häufigsten und zugleich rätselhaftesten Elementarteilchen. Jeder Kubikzentimeter enthält Hunderte von ihnen. Weil sie keine Ladung tragen und mit normaler Materie kaum reagieren, ist es schwierig, sie einzufangen und zu vermessen. So wissen die Wissenschaftler bis heute nicht, wie groß die Masse dieser Partikel ist. Dabei ist das eine der wichtigsten Fragen in der modernen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie. Nun sind Forscher am Karlsruher Institut für Technologie der Antwort wieder ein Stück näher gerückt. Sie haben den Massenbereich für Neutrinos deutlich einschränken können.

Neutrinos werden im radioaktiven Beta-Zerfall, bei der Verschmelzung von Atomkernen oder anderen Kernreaktionen frei. Und doch existierten sie lange nur in den Köpfen von Theoretikern. Als Erster hatte 1930 Wolfgang Pauli über ihre Existenz spekuliert, als er erkannte, dass ohne ein solches Teilchen beim Beta-Zerfall zwei fundamentale Prinzipien der Physik verletzt würden – die Erhaltung der Energie und des Drehimpulses. Um diese Schwierigkeit zu beheben, postulierte Pauli ein neues Teilchen. Es werde zusammen mit dem Elektron frei, habe selbst weder elektrische Ladung noch Masse, könne aber den fehlenden Energiebetrag mitnehmen. Doch erst 1956 konnten Frederick Reines und Clyde Cowan mit ihrem legendären „Poltergeist“-Experiment an einem Kernreaktor in Los Alamos die „kleinen Neutralen“ – so die Bedeutung des aus dem Italienischen abgeleiteten Namens – tatsächlich nachweisen.

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Die Frage, ob Neutrinos, von denen drei Typen bekannt sind, nicht vielleicht doch eine kleine Masse besitzen, blieb lange unbeantwortet. Ende der neunziger Jahre fanden Wissenschaftler mit dem unterirdischen Super-Kamiokande-Detektor in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka, erstmals deutliche Hinweise darauf, dass sogenannte Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre erzeugt werden, sich in eine andere Neutrinoart umwandeln können. Derartige Neutrino-Oszillationen, die man mittlerweile auch bei solaren und künstlich erzeugten Neutrinos beobachtet hat, sind nur möglich, wenn diese Teilchen eine Masse besitzen. Allerdings ist aus den Oszillationen nicht ableitbar, wie groß diese ist.

Im Messbetrieb liegt der Vakuumtank, der in seinem Inneren das Elektronen-Spektrometer beherbergt, auf 18.000 Volt Hochspannung. Zum Schutz ist die Anlage von einem Käfig umgeben.
Im Messbetrieb liegt der Vakuumtank, der in seinem Inneren das Elektronen-Spektrometer beherbergt, auf 18.000 Volt Hochspannung. Zum Schutz ist die Anlage von einem Käfig umgeben. Bild: Frank Röth

So blieb es bei Vermutungen. Immerhin, wenn die Winzlinge etwas wiegen, dann könnte es ja sein, dass sie es sind, die hinter der rätselhaften „Dunklen Materie“ im Kosmos stecken. Doch diese Vorstellung hat sich inzwischen weitgehend zerschlagen. Sofern es sich bei der Dunklen Materie überhaupt um Teilchen handelt, dürfen diese nicht zu „heiß“ sein, will sagen, zu schnell durchs All sausen, sonst hätten sich die Materieschwaden im frühen Universum nicht in der Weise unter ihrer eigenen Schwerkraft verklumpen können, wie man es beobachtet. Doch offenbar wiegen Neutrinos so wenig, dass ihr Einfluss zu schwach war, obwohl sie einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen.

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Frühere Messungen haben gezeigt, dass die Neutriomasse in einem Bereich zwischen zwei und 0,02 Elektronenvolt (eV) liegt. Zum Vergleich: Das Elektron, das leichteste geladene Teilchen, kommt auf rund 511.000 Elektronenvolt, ist also mehr als 200.000-mal so schwer.

Verräterischer Endpunkt des Elektronenspektrums

Die Neutrinomasse ist insbesondere für Teilchenphysiker interessant: denn deren sogenanntes Standardmodell sieht keine massebehafteten Neutrinos vor. Während Elektronen und Quarks über den sogenannten Higgs-Mechanismus ihre Masse erhalten, ist die Ursache für die Neutrinomasse bislang unklar. Dieses Rätsel ist einer der Gründe dafür, warum das Standardmodell noch nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann und es neuer theoretischer Ansätze bedarf.

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Da die Messempfindlichkeit früherer Verfahren ausgereizt war, um den Bereich der Neutrinomasse weiter einzuschränken, hatte man schon im Jahr 2001 Pläne für ein neues Spektrometer mit einer deutlich höheren Auflösung und Empfindlichkeit gefasst: Das Experiment „KATRIN“ („Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“), das vor vier Jahren in der badischen Metropole ihren Messbetrieb aufgenommen hat.

Blick auf die Tritium-Quelle von KATRIN. In einem Kryostaten zirkuliert kaltes gasförmiges Tritium. Beim radioaktiven Zerfall des schweren Wasserstoffisotops entstehen Elektronen und Neutrinos. Ein ausgeklügeltes Pumpensystemen sorgt dafür, dass kein einziges Tritiummolekül ins Ultrahochvakuum des Spektrometers gelangt.
Blick auf die Tritium-Quelle von KATRIN. In einem Kryostaten zirkuliert kaltes gasförmiges Tritium. Beim radioaktiven Zerfall des schweren Wasserstoffisotops entstehen Elektronen und Neutrinos. Ein ausgeklügeltes Pumpensystemen sorgt dafür, dass kein einziges Tritiummolekül ins Ultrahochvakuum des Spektrometers gelangt. Bild: Frank Röth

Forscher aus sechs Nationen nutzen hier den radioaktiven Zerfall von Tritium. Zerfällt dieses schwere Wasserstoffisotop, entsteht ein Elektron und ein Neutrino – genauer gesagt ein Elektron-Antineutrino. Die bei dem Zerfall freiwerdende Energie verteilt sich auf beide Teilchen. Man vermisst nun die Elektronen und nutzt die Tatsache, dass die Neutrinomasse die Form des Energiespektrums der Elektronen auf charakteristische Weise verändert. Dies gilt vor allem für den Endpunkt des Spektrums, das die besonders energiereiche Elektronen erfasst – also jene, die zusammen mit besonders langsamen Neutrinos entstehen. Die Physiker versuchen deshalb, die Elektronenenergie in der Umgebung dieses Punkts möglichst präzise zu vermessen.

Dazu erzeugen die Wissenschaftler aus einer externen Tritiumquelle Elektronen in großer Zahl und schicken sie mittels starker Magnetfelder durch ein gewaltiges Spektrometer zu einem Detektor. Entlang dieses 70 Meter langen Weges müssen die Elektronen einen Potentialberg überwinden, der von einer Hochspannung erzeugt wird. Nur jene Elektronen, deren Energie ausreicht, diese Hürde zu überwinden, gelangen zum Detektor. Dort werden sie dann gezählt. Indem die Forscher die Höhe des Potentialberges variieren, können sie die Form des Elektronenspektrums vermessen. Daraus lässt sich schließlich die Neutrinomasse präzise ableiten.

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Präzise Messungen und sorgfältige Datenanalyse

Auf diese Weise haben die Forscher 2019, wenige Monate nach Messbeginn, bereits eine neue obere Schwelle für die Neutrinomasse bestimmen können. Diese belief sich auf 1,1 Elektronenvolt, was bereits fast einen Faktor Zwei genauer war als die bis dahin durchgeführten Messungen. Nun konnte eine zweite Messkampagne die Obergrenze noch weiter absenken.

Die Forscher haben innerhalb von 30 Messtagen die Energien von 4,3 Millionen Elektronen aus dem Tritiumzerfall vermessen. Wie sie nun in der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten, ist die Masse der Neutrinos definitiv kleiner als 0,8 Elektronenvolt (eV) und damit mindestens 600.000 mal leichter als ein Elektron. „Die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate waren entscheidend für das neue Resultat“, sagt Christian Weinheimer von der Universität Münster und einer der beiden Sprecher des KATRIN-Experiments. „Wir wissen jetzt auch aus einem Laborexperiment, dass der Anteil der Neutrinos nicht mehr zur Massendichte des Universums beiträgt als alle Atome, die Neutrinos also wirklich nur eine untergeordnete Rolle bei der Dunklen Materie spielen.“

KATRIN im Überblick: Das 70 Meter lange Instrument besteht aus einer Tritiumquelle, einer Tranfereinheit und dem Elektronen-Spektrometer (von links nach rechts).
KATRIN im Überblick: Das 70 Meter lange Instrument besteht aus einer Tritiumquelle, einer Tranfereinheit und dem Elektronen-Spektrometer (von links nach rechts). Bild: Leonard Köllenberger, KATRIN Kollaboration

Um diese Präzision zu erzielen, musste man bei der Auswertung der Messdaten besondere Sorgfalt walten lassen. Vier Theoriegruppen modellierten unabhängig voneinander die Messungen, ohne dass sie zunächst die experimentellen Daten zu Gesicht bekamen. Erst als die verschiedenen Analysen vorlagen, wurde der Vorhang gelüftet: Es zeigte sich, dass Modellrechnungen und Messwerte perfekt übereinstimmten.

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In den kommenden zwei Jahren werden die Messungen weitergeführt und verfeinert werden. Dabei hoffen die Physiker, die statistischen Unsicherheiten verringern und die Genauigkeit erhöhen zu können. „Dazu gehört auch, dass wir alle apparativen Effekte in speziellen Messungen mit höchster Präzision untersuchen und ihre mathematische Beschreibung nochmals verbessern“, sagt Weinheimer. Das Ziel der Forscher ist es, die Masse der Neutrinos noch stärker einzuschränken und vielleicht doch noch den genauen Wert zu finden. Bei einer Schwelle von 0,2 Elektronenvolt dürfte jedoch auch mit KATRIN Schluss sein.

In Karlsruhe blickt man aber bereits weiter in die Zukunft. Die riesige Apparatur soll dann auch auf die Suche nach sogenannten sterilen Neutrinos gehen, einem theoretisch ersonnenen vierten Neutrinotyp, von dem allerdings noch jede empirische Spur fehlt. Er käme noch als Kandidat für die Dunkle Materie in Frage – vorausgesetzt diese Teilchen sind massereich genug. Sterile Neutrinos entstehen möglicherweise ebenfalls beim Beta-Zerfall von Tritium und könnten sich dann durch eine charakteristische Delle im Energiespektrum verraten. Um ihnen nachzustellen, müsste man allerdings das gesamte Energiespektrum der emittierten Elektronen abtasten. Dafür tüftelt das internationale Forscherteam von KATRIN bereits an einem speziellen Detektorsystem.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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