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Blick in das Innere des Hauptspektrometers des KATRIN-Experiments
© KIT

Wieviel wiegt ein Geisterteilchen?: Neutrinos sind noch leichter als erwartet

„Katrin“ hat die Masse des Neutrinos genauer bestimmt – und stellt damit physikalische Konzepte infrage.

Neutrinos sind faszinierende Elementarteilchen. Mühelos durchqueren sie ganze Planeten, menschliche Körper sowieso. Pro Sekunde rasen mehrere zehn Milliarden davon durch eine Fläche so groß wie ein Daumennagel, ohne dass man etwas davon bemerkt. Sie sind elektrisch neutral und haben eine extrem geringe Masse – so winzig klein, dass sie bisher nicht genau angegeben werden kann und nur grobe Schätzungen existierten.

Nun haben Physikerinnen und Physiker die Obergrenze drastisch nach unten korrigiert: Neutrinos wiegen weniger als 1,4 mal 10 hoch -36 Kilogramm. Über Einsteins berühmte Formel E = mc² lässt sich das auch in die bevorzugte Einheit der Teilchenphysik umrechnen. Demnach ist die Neutrinomasse kleiner als 0,8 Elektronenvolt (eV). Das berichtet das internationale „Katrin“-Team (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) im Fachmagazin „Nature Physics“.

Ein Modell von „Katrin“, der komplexen „Waage“, mit der die Masse des Neutrinos bestimmt wird.
Ein Modell von „Katrin“, der komplexen „Waage“, mit der die Masse des Neutrinos bestimmt wird.
© KIT / Leonard Köllenberger für die KATRIN Kollaboration

Herzstück ihrer Neutrinowaage ist ein Vakuumtank mit 24 Metern Länge und zehn Metern Durchmesser, der im bayerischen Deggendorf gefertigt wurde. Ein Lkw-Transport für den Trumm war unmöglich, daher wurde er per Schiff über Donau, Schwarzes Meer, Mittelmeer, Atlantik und den Rhein hinauf nach Leopoldshafen gebracht. Die letzten sieben Kilometer ging es 2006 mit einem spektakulären Schwertransport über enge Straßen bis ans Ziel.

Das 200 Tonnen schwere Riesen-Spektrometer aus Edelstahl auf seinem Weg zum Forschungszentrum Karlsruhe.
Das 200 Tonnen schwere Riesen-Spektrometer aus Edelstahl auf seinem Weg zum Forschungszentrum Karlsruhe.
© picture-alliance/dpa / Uli Deck

Seit 2018 laufen die Messungen. Sie basieren auf Tritium, einem besonders schweren Wasserstoffisotop. Das ist radioaktiv und zerfällt in ein Heliumatom, ein Elektron und ein Neutrino. Mit Katrin soll sehr präzise ermittelt werden, wie sich dabei die Energieanteile auf die beiden Elementarteilchen verteilen, um so die Masse des Neutrinos zu berechnen.

Frühere Experimente hatten als Höchstmasse zwei eV geliefert, erste Daten von Katrin hatten den Wert bereits auf gut 1 eV nach unten korrigiert. Nun sind sich die Forscher zu 90 Prozent sicher, dass es höchstens 0,8 eV sind. Für die Astroteilchenphysik sind diese Resultate sehr bedeutsam, wie Magnus Schlösser vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), einer der Leitautoren der Publikation, erläutert. „Es wird immer klarer, dass die leichten Neutrinos keinen wirklichen Anteil an der Dunklen Materien haben können, obwohl sie die notwendigen Eigenschaften mitbringen.“ Es müssten also andere Kandidaten gesucht werden.

Verladung des Katrin-Spektrometers auf den Tieflader für die letzte Etappe auf dem Weg zum Forschungszentrum Karlsruhe.
Verladung des Katrin-Spektrometers auf den Tieflader für die letzte Etappe auf dem Weg zum Forschungszentrum Karlsruhe.
© imago / Peter Sandbiller

Zudem gebe es weitere, komplementäre Methoden, um die Neutrinomasse zu messen, beispielsweise aus astronomischen Beobachtungen der Mikrowellenhintergrundstrahlung oder der Anordnung von Galaxien im Universum. „Hierbei muss man aber anders als bei Katrin Annahmen über das kosmologische Modell und die Neutrinoeigenschaften machen“, sagt der Forscher. „Durch unsere Ergebnisse können Kosmologen alternative Modelle auf Plausibilität prüfen, gegebenenfalls anpassen oder ausschließen.“

Trotz aller Sorgfalt des Katrin-Teams müssen deren Ergebnisse von weiteren Experimenten bestätigt werden. Darauf weist Angelo Nucciotti von der Universität Mailand in einem begleitenden Kommentar in „Nature“ hin. Er selbst ist an einem solchen Vorhaben führend beteiligt, gibt aber zu, dass „es Jahre dauern wird, bis diese neuen Experimente das tiefe Verständnis von Unsicherheiten erreichen, das die Katrin-Kollaboration schon heute hat“.

Bis 2024 soll in Karlsruhe weiter gemessen werden, um noch empfindlicher für geringe Neutrinomassen zu werden. Zudem wird ein Detektorsystem entwickelt, um ab 2025 „sterile“ Neutrinos zu suchen. Dies sind bislang hypothetische Partikel, die ebenfalls als Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie gelten.

Womöglich liefert Katrin das, was Physiker bislang vergeblich suchen: eine gravierende Schwachstelle des Standardmodells der Teilchenphysik. Sie kann den Forschern neue Wege weisen, um die Entstehung des Universums besser zu verstehen.

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