Neutrinos sind die häufigsten Materieteilchen im Universum, in jeder Sekunde rasen Milliarden von ihnen durch uns hindurch – ohne dass wir dies bemerken. Denn Neutrinos haben so gut wie keine Masse und wechselwirken nur über die Schwache Kernkraft mit anderen Teilchen. Dadurch sind sie nur schwer nachweisbar. Erschwerend kommt hinzu, dass Neutrinos in drei Sorten vorkommen – physikalisch als “Flavours” bezeichnet: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Diese können sich buchstäblich im Flug ineinander umwandeln. Diese Neutrino-Oszillation bedingt gleichzeitig, dass die ursprünglich als masselos angenommenen Neutrinos doch eine, wenn auch sehr geringe Masse besitzen müssen. Doch in den letzten Jahrzehnten mehrten sich Hinweise darauf, dass es noch eine vierte Neutrinosorte geben könnte. Diese sogenannten “sterilen” Neutrinos sollen noch schwächer oder gar nicht mit Materie und anderen Teilchen wechselwirken und sind daher nicht direkt nachweisbar. Sollte es sie jedoch geben, könnten sie eine ganze Reihe bisher unerklärter Phänomene erklären – von den Teilchen der Dunklen Materie bis zur Asymmetrie von Antimaterie und Materie.
Neutrino-“Waage” fahndet nach der vierten Sorte
Doch bisher ist strittig, ob es diese hypothetische vierte Neutrinosorte gibt. Zwar lieferten Anomalien, die bei einigen Experimenten zur Messung der Neutrinos und ihrer Oszillation aufgetreten sind, Indizien für ihre Existenz. Es zeigten sich leichte Abweichungen in der erwarteten Zahl der detektierten Neutrinos – beispielsweise aus radioaktiven Zerfällen in Kernreaktoren oder beim radiochemischen Nachweis durch Galliumzerfälle. Aber andere Experimente wie der IceCube-Neutrinodetektor am Südpol oder das STEREO-Experiment an einem Forschungsreaktor in Grenoble konnten keine solchen Abweichungen feststellen. “Die Existenz steriler Neutrinos bleibt umstritten, das liegt primär an der Herausforderung, die systematischen Messunsicherheiten und Hintergründe jedes Experiments in Gänze zu verstehen”, erklären die Physiker der KATRIN-Kollaboration. Sie haben deswegen nun Daten des KATRIN-Experiments (Karlsruhe Tritium Neutrino) am Karlsruher Institut für Technologie genutzt, um nach Spuren der vierten Neutrinosorte zu suchen.
In der 70 Meter langen KATRIN-Anlage messen hochsensible Spektrometer den Betazerfall von radioaktivem Tritium. Bei diesem werden ein Elektron und ein Antineutrino frei. Die Energie des Elektrons verrät, wie viel Energie und Masse das Neutrino hat. Eigentlich dient KATRIN dazu, die Masse des Neutrinos so genau wie möglich zu bestimmen. Im Frühjahr 2025 gelang es Physikern so, diese für die Physik und Kosmologie wichtige Größe auf weniger als 0,45 Elektronenvolt zu begrenzen. Doch die hochgenauen Messungen des Energiespektrums der emittierten Elektronen können auch verraten, ob unter den beim Zerfall freiwerdenden Neutrinos auch sterile Neutrinos sind. “Ein solches steriles Neutrino würde im beobachteten Elektronenspektrum eine zweifache Spur hinterlassen: einen erkennbaren Knick und eine allgemeine Verzerrung”, erklären die Physiker der KATRIN-Kollaboration. Für ihre aktuelle Studie haben sie daher die Energiespektren von mehr als 36 Millionen Elektronen ausgewertet, die im Laufe von 259 Messtagen detektiert und gemessen wurden. Das KATRIN-Experiment deckt dabei einen Energie- und Massenbereich der hypothetischen Teilchen von weniger als einem Elektronenvolt bis zu mehrere hundert Elektronenvolt ab.
