Das internationale KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment, kurz KATRIN, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat die Neutrinomasse erstmals auf unter ein Elektronenvolt (eV) eingegrenzt und damit eine „Barriere“ in der Neutrinophysik durchbrochen. Aus den aktuell in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Daten lässt sich eine Obergrenze von 0,8 eV für die Masse des Neutrinos ableiten. Diese mit einer modell-unabhängigen Labormethode gewonnenen Ergebnisse ermöglichen es KATRIN, die Masse dieser „Leichtgewichte des Universums“ mit bisher unerreichter Präzision einzugrenzen. (DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1)
Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie bei der Bildung von großräumigen Strukturen eine wichtige Rolle. Auch in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein, denn ihre winzige Masse weist auf neue physikalische Prozesse jenseits der bisherigen Theorien hin. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.
Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen. Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN läuft als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Professor Guido Drexlin vom KIT, Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Professor Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate waren entscheidend für das neue Resultat.“
Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt
Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um Dr. Magnus Schlösser vom KIT und Professorin Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Physik und der Technischen Universität München, die die Analyse koordinieren, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Schlösser und Mertens. Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passten perfekt zusammen: Daraus habe sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 eV bestimmen lassen, sagen die beiden Wissenschaftler. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde”, kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.
„Zum Erfolg trug entscheidend bei, dass alle technischen Komponenten reibungslos zusammenarbeiteten: das Hochfahren der Quelle im Tritiumlabor Karlsruhe auf die nominellen Quellintensitäten sowie der Betrieb von Spektrometer, Detektor und Kryoinfrastruktur. Dies wurde durch den professionellen Einsatz unserer Mitarbeitenden erreicht, durch die dieses Großexperiment getragen wird“, betont Schlösser.
Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern
Die am Projekt KATRIN beteiligten Forschenden beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potenzial dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“. Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im keV-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist. (jh)
Originalpublikation
M. Aker et al. (KATRIN Collaboration), Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity, Nature Physics, 2022. DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
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