Neutrinos gehören zu den häufigsten und gleichzeitig rätselhaftesten Teilchen in unserem Universum. Obwohl in jeder Sekunde Milliarden von ihnen durch unseren Körper strömen, sind sie nicht spürbar und nur sehr schwer messbar. Denn die Elementarteilchen wechselwirken kaum mit Materie, haben so gut wie keine Masse und ihre drei Sorten können sich buchstäblich im Fluge ineinander umwandeln. Bekannt ist, dass diese “Geisterteilchen” bei radioaktiven Zerfällen, in der Sonne und auch bei energiereichen kosmischen Ereignissen produziert werden. Gleichzeitig könnten sie eine wichtige Rolle in vielen noch ungeklärten kosmischen Phänomenen spielen, von möglicher “neuer Physik” bis hin zur Natur der Dunklen Materie. Um den möglichen Beitrag der Neutrinos dazu zu verstehen, ist jedoch ein Parameter entscheidend: ihre Masse. Nachdem Neutrinos lange als vollkommen masselos galten, zeigen Experimente zur Neutrino-Oszillation, dass diese Elementartteilchen doch eine, wenn auch winzige Masse besitzen müssen. Bisherige Messungen engten diesen Wert auf den Bereich zwischen 2 und 0,02 Elektronenvolt ein.
KATRIN-Experiment als Neutrino-“Waage”
Auf der Suche nach einem genaueren Wert für die Neutrino-Masse wurde 2017 das internationale KATRIN-Experiment am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ins Leben gerufen. Basis dieses Experiments bildet der Beta-Zerfall von radioaktivem Tritiumgas. Bei diesem Zerfall werden ein Elektron und ein Antineutrino frei. Dieses Antineutrino ist nicht direkt nachweisbar und auch seine Masse lässt sich nicht bestimmen – wohl aber die des Elektrons. Wenn nun das Neutrino eine Masse besitzt, müsste die Energie und damit Masse des Elektrons um genau diesen Anteil geringer sein als die beim Zerfall des Tritiumatoms insgesamt freigesetzte Energie. Das 70 Meter lange KATRIN-Experiment nutzt genau diesen Effekt aus, um die Neutrinomasse einzugrenzen. Dafür wird Tritiumgas in eine lange Röhre gepumpt, in der es zerfällt. Die dabei freigesetzten Elektronen werden mithilfe supraleitender Magnete in ein Spektrometer geleitet. Dieses ist so einstellbar, dass es nur Elektronen bis zu einer bestimmten Energie durchlässt – es wirkt wie ein Filter. Hinter dem Spektrometer liegt ein Detektor, der die Energie dieser Elektronen mit hoher Präzision messen kann.
Schon in der ersten Laufzeit des KATRIN-Experiments im Jahr 2019 gelang es den Physikern der KATRIN-Kollaboration auf diese Weise, die Masse des Antineutrinos und damit auch des Neutrinos auf maximal ein Elektronenvolt zu begrenzen. Seither wurden die Anlagen weiter optimiert, sodass in der zweiten Laufzeit Messungen mit noch höherer Präzision möglich waren. “KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft nun wie ein perfektes Uhrwerk”, berichtet Projektleiter Guido Drexlin vom KIT. Dabei seien die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend gewesen. Auch bei der Auswertung der enormen Datenmengen, die am Detektor anfallen, wurden Fortschritte erzielt. “Nur durch diese aufwendige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen”, erklären Magnus Schlösser vom KIT und Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Physik.
