Neutrinos gehören zu den häufigsten und zugleich rätselhaftesten Teilchen unseres Universums. Denn diese nicht geladenen Elementarteilchen wechselwirken kaum mit Materie, haben so gut wie keine Masse und kommen in drei Sorten vor: als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik müssten Neutrinos eigentlich masselos sein. Doch Physiker haben schon vor längerer Zeit eine Eigenheit der Neutrinos entdeckt, die dem widerspricht: Die Elementarteilchen können buchstäblich im Flug ihr „Flavor“ wechseln und sich in eine der anderen Sorten umwandeln. Aus dieser Neutrino-Oszillation ergibt sich jedoch, dass Neutrinos entgegen ursprünglichen Annahmen doch eine Masse besitzen müssen. „Die Oszillationen identifizieren die Flavor-Zustände der Neutrinos als Überlagerungen ihrer Massenzustände“, erklärt die KATRIN-Kollaboration. Anders ausgedrückt: Jede der drei Neutrinosorten besitzt eine winzige, aber für sie charakteristische Masse, aus deren Kombination sich die Gesamtmasse des Teilchens ergibt.
„Energielücke“ verrät die Neutrinomasse
Das Problem jedoch: Weil Neutrinos kaum mit Materie interagieren, lässt sich ihre Masse nicht direkt messen. Es geht jedoch indirekt – unter anderem mit dem Experiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment). In dieser 70 Meter langen Anlage messen Physiker den Betazerfall von radioaktivem Tritium. Bei diesem Zerfall werden ein Elektron und ein Antineutrino frei. Bekannt ist, dass dabei eine Gesamtenergie von 16.800 Elektronenvolt freigesetzt wird. Diese verteilt sich anteilig auf die beiden Teilchen. Aus der Maximalenergie des Elektrons lässt sich daher ermitteln, welchen Energieanteil das Neutrino hat – und nach Einsteins berühmter Formel E=mc2 ergibt sich daraus auch die Masse des Teilchens. „Anders als andere Methoden ist dieser Ansatz unabhängig von kosmologischen Modellen und der Neutrinonatur“, erklären die Physiker der KATRIN-Kollaboration. „Diese Modellunabhängigkeit macht KATRIN für die Teilchenphysik und Kosmologie so wertvoll.“ Schon in zwei früheren Auswertungen der KATRIN-Ergebnisse gelang es dem Team, die Massenobergrenze des Neutrinos einzugrenzen, auf zuletzt knapp 0,8 Elektronenvolt. Das Neutrino hat demnach weniger als ein Milliardstel der Masse eines Protons.
Jetzt haben die Physiker der KATRIN-Kollaboration ein neues, noch genaueres Ergebnis veröffentlicht. Es beruht auf fünf Messkampagnen, die zwischen März 2019 und Juni 2021 durchgeführt wurden. An den insgesamt 259 Messtagen analysierte das Team die Energie von rund 36 Millionen energiereichen Elektronen aus dem Betazerfall des Tritiums – sechsmal mehr als beim letzten Ergebnis. Zusätzlich profitieren die Messungen von technischen Optimierungen der Anlage, die die Sensitivität von KATRIN für die effektive Antineutrinomasse um den Faktor zwei erhöhen, wie das Team berichtet. Parallel dazu ließen sich Störeffekte und Unsicherheiten verringern. Dies hat es ermöglicht, die Obergrenze für die Neutrinomasse noch einmal weiter einzugrenzen. „Auf Basis unserer besten Resultate erhalten wir eine Obergrenze von m < 0,45 Elektronenvolt bei einem Konfidenzintervall von 90 Prozent “, schreiben die Physiker. Die Neutrinomasse ist demnach noch etwas geringer als zuvor angenommen.
