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Neutrinos: Die Vermessung der Leichtigkeit

Neutrinos sind die leichtesten bekannten Elementarteilchen im Weltall. Aber wie schwer sind sie genau? Nun gibt es ein neues Ergebnis.
Neutrino-Detektor KATRINLaden...

Es gibt Situationen, in denen sich selbst eine Mikrobe ziemlich schwer vorkommen dürfte. Vergleicht man das Gewicht solch eines Kleinstlebewesens mit dem von Elementarteilchen, kann man nur zu einem Schluss kommen: So ein Einzeller hat ganz schön viele billiardstel Gramm auf den Rippen! Die elementaren Bausteine von Atomkernen, die Quarks, kommen hingegen nur auf rund 0,000000000000000000000000001 (10-27) Gramm, die allseits bekannten Elektronen sogar auf einen tausendfach kleineren Wert.

Im Mikrokosmos geht es allerdings noch deutlich leichter. Daran erinnert eine Messung aus Karlsruhe, die zurzeit für Aufsehen unter Physikern sorgt: Mit einem ambitionierten Versuchsaufbau haben Wissenschaftler abgeschätzt, wie schwer Neutrinos sind, die flüchtigsten und masseärmsten der bisher bekannten Elementarteilchen. Die geisterhaften Partikel wiegen demnach höchstens 10-33 Gramm oder 1,1 Elektronvolt, wie Physiker sagen.

Höhepunkt einer langen Reise

Forscher des Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment (KATRIN) haben das Ergebnis vor Kurzem auf einer großen Teilchenphysik-Konferenz im japanischen Toyama vorgestellt. »So langen Applaus nach einem Vortrag habe ich schon lange nicht mehr gehört«, sagt Werner Rodejohann vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik. Er war nicht an den Messungen beteiligt und saß in Toyama im Publikum.

Der Applaus für KATRIN dürfte zum einen der Ausdauer gegolten haben, mit der die Forscher das Projekt umgesetzt haben. Die Gruppe um Guido Drexlin vom Karlsruher Institut für Technologie, an der Forscher von insgesamt 20 Instituten aus Deutschland, USA, Spanien, Tschechien und Russland beteiligt sind, hat zwei Jahrzehnte auf die Messung hingearbeitet. »KATRIN ist ein unglaublich schwieriges und komplexes Experiment«, sagt Rodejohann. Die Forscher könnten daher sehr stolz auf das Ergebnis sein.

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Heikle Anreise | Der Transport des KATRIN-Spektrometers ans KIT war Maßarbeit. Vom Rhein aus musste der riesige Tank noch auf den Forschungscampus gebracht werden.

Daneben gilt das Resultat als ermutigender Fortschritt beim Verständnis der rätselhaftesten Partikel aus dem Baukasten der Elementarteilchen – auch wenn die aktuelle Messung noch eine vergleichsweise hohe Fehlerwahrscheinlichkeit aufweist.

Neutrinos kommen in drei Varianten vor (Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos), zwischen denen sie ständig hin und her oszillieren. Mit aufwändigen Messprogrammen haben Wissenschaftler in den vergangenen Jahrzehnten ermittelt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sie das jeweils tun. Außerdem können sie mittlerweile sagen, wie groß die Massenunterschiede zwischen den einzelnen Neutrinoarten sind.

Die Massen selbst sind aber noch völlig unbekannt, unklar ist auch, welche der drei Neutrinoarten am schwersten ist. Die lichtschnellen Elementarteilchen sind viel zu flüchtig, um sie gezielt einzufangen und mit ihnen Laborexperimente machen zu können. Um ein einzelnes der Teilchen einigermaßen zuverlässig zu stoppen, benötigt man einen Bleiblock mit einer Dicke von einem Lichtjahr. Physiker gingen daher lange davon aus, dass Neutrinos – ähnlich wie die Teilchen des Lichts – überhaupt keine Masse haben.

Um die Jahrtausendwende herum entdeckten dann jedoch sowohl ein amerikanisches als auch ein japanisches Forscherteam, dass die geisterhaften Partikel im Flug ihre Identität wechseln. Laut den Gesetzen der Teilchenphysik ist das nur möglich, wenn sie eine (winzige) Masse haben – eine Erkenntnis, für die es 2015 den Physik-Nobelpreis gab. Sie elektrisiert Physiker auch deshalb, weil massebehaftete Neutrinos dem Standardmodell der Teilchenphysik widersprechen, mit dem Experten sehr erfolgreich den Mikrokosmos modellieren.

Elektronen fangen, um Neutrinos zu verstehen

KATRIN wurde geplant, um Neutrinos erstmals auf eine Waage zu legen. Das Herzstück des Experiments ist eine Vakuumkammer von der Größe eines Blauwals. Im bayerischen Deggendorf hergestellt, mussten ihn die Forscher erst die Donau hinabschippern und ihn anschließend übers Schwarzes Meer, das Mittelmeer, den Atlantik und den Rhein nach Karlsruhe transportieren, 9000 Kilometer weit. Der 23 Meter lange und 10 Meter hohe Stahlkoloss war einfach zu groß für die Reise auf deutschen Straßen.

2006 war das. Seitdem haben die Wissenschaftler das Gerät angeschlossen und getestet, 2018 fiel der Startschuss für die Messungen. Sie nutzen den radioaktiven Zerfall des Elements Tritium – eine schwere Variante von Wasserstoff, deren Atomkerne sich nach einer Zeit in Helium umwandeln. Dabei stoßen die Kerne ein Elektron und ein Neutrino aus.

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Aufbau des Experiments | Von der Tritiumquelle links fliegen Elektronen durch einen Bereich, in dem überschüssiges Tritium abtransportiert wird. Bei dem Zerfall des Wasserstoffisotops entstehen auch Neutrinos, die sich jedoch nicht direkt messen lassen. Letztlich gelangen die Elektronen in die große Vakuumkammer rechts. Dort werden jene Teilchen ausgewählt, deren Energie Rückschlüsse auf die Masse des Neutrinos zulässt.

Die Masse des Geisterteilchens lässt sich abschätzen, indem die Forscher sich das Elektron aus dem Tritiumzerfall ganz genau ansehen. Der Gedanke dahinter: Das dabei freigesetzte Neutrino kann man nicht erwischen. Aber es trägt einen kleinen Teil der Energie davon. Und diese fehlt dem Elektron anschließend.

Die Forscher interessieren sich vorrangig für Elektronen, zu denen Mutter Natur besonders gnädig war. Diese winzige Population trägt so viel Energie, wie Elektronen aus dem Betazerfall von Tritium nur tragen können. Der Rest entfällt dann komplett auf die (Ruhe-)Masse des Neutrinos, eine nennenswerte Bewegungsenergie haben die Geisterteilchen nicht mehr.

Ein riesiger Filter für langsame Elektronen

Um Elektronen mit Maximalenergie aufzuspüren, ist jedoch ein spezieller Detektor notwendig. Hier kommt die riesige Vakuumkammer von KATRIN ins Spiel, durch die Elektronen aus dem Zerfall einer Tritiumquelle gefeuert werden. Mit geschickt arrangierten Magnetfeldern filtert das Gerät alle Ladungsträger mit geringer Energie heraus. Übrig bleiben nur jene Exemplare, die eine Abschätzung der Neutrinomasse ermöglichen.

Letztlich ist es eine Suche in einem sehr großen Heuhaufen: Pro Sekunde gelangen rund 100 Milliarden Elektronen in die Vakuumkammer von KATRIN, eines davon enthält laut Aussage der Forscher Informationen über die Neutrinomasse. Dennoch gelang es ihnen bereits innerhalb von 30 Tagen, genügend Daten für eine aussagekräftige Schätzung zu sammeln, wie die Wissenschaftler in einem Fachaufsatz auf dem Preprint-Server Arxiv schreiben.

Demnach müssen Neutrinos eine Masse unterhalb von 1,1 Elektronvolt haben. Wie schwer sie genau sind, können die Forscher noch nicht sagen. Allerdings können sie den möglichen Bereich nun besser eingrenzen: Bisher lag die denkbare, aus Laborexperimenten ermittelte Höchstgrenze für die Neutrinomasse bei rund 2 Elektronvolt.

Aber wie schwer sind Neutrinos wirklich? Manches spricht dafür, dass sie in Wahrheit lediglich einen Bruchteil der nun ermittelten Obergrenze haben. Denn es gibt bereits »Limits«, die noch geringer sind als das Karlsruher Ergebnis, sie gehen auf Beobachtungen im Weltall zurück. Kosmologen gehen davon aus, dass Myriaden von Neutrinos bereits im Urknall entstanden sind und mit ihrer Kollektivmasse die Ausdehnung des jungen Weltalls beeinflusst haben. Entsprechend tauchen sie an wichtiger Stelle im kosmologischen Standardmodell auf, mit dem Wissenschaftler die Entwicklung des Universums modellieren.

Konkurrenz aus der Kosmologie

Auf dieser Basis lässt sich die Neutrinomasse ebenfalls abschätzen. Die so ermittelten Werte für die Obergrenze liegen aktuell bei einigen zehntel Elektronvolt. Die Karlsruher hoffen, ihr Ergebnis in den nächsten Jahre noch präzisieren zu können – der so genannte p-Wert liegt aktuell noch bei stolzen 0,16. Nach 1000 Messtagen wird KATRIN die Fehlerwahrscheinlichkeit deutlich gesenkt haben und kann dann vermutlich eine Massenobergrenze von 0,2 Elektronvolt angeben, so die Prognose der Forscher. »Damit wird man in die Nähe der gegenwärtigen Limits aus der Kosmologie kommen«, sagt Rodejohann.

Und selbst wenn nicht: Fachleute betonen, wie wichtig es ist, der Neutrinomasse auch auf der Erde nachzuspüren, mit Methoden, die unabhängig von den Weltraumbeobachtungen sind. »Neutrinos sind so widerspenstig, dass man ihnen nur durch Kombination komplementärer Untersuchungsmethoden auf die Schliche kommt«, so Heinrich Päs von der Universität Dortmund.

Die Abschätzungen aus der Kosmologie hängen stark von den Annahmen des kosmologischen Standardmodells ab – das viele Experten nicht für der Weisheit letzten Schluss halten. »In der Kosmologie lassen sich Annahmen und die Verlässlichkeit der Datensätze weniger gut testen als in einem Laborexperiment wie KATRIN«, findet Päs.

So kann die Karlsruher Gruppe nicht nur darauf hoffen, innerhalb von fünf Jahren mit den Kollegen aus der Kosmologie gleichzuziehen. Mit Glück könnte das Experiment vielleicht sogar noch sein eigentliches Ziel erreichen: Wenn die aus dem Weltall gezogenen Schlüsse nicht stimmen sollten, könnte KATRIN nicht nur eine Obergrenze liefern, sondern einen handfesten Messwert für das Gewicht der Neutrinos.

38/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 38/2019

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