Geisterteilchen messen: Was wiegt ein Neutrino?
Neutrinos sind unsichtbar, durchdringen unbemerkt unseren Körper und sind schwer zu messen. Forschende aus Karlsruhe haben es dennoch geschafft.
Blick ins Innere des KATRIN-Hauptspektrometers. Mit ihm wurde das Gewicht eines Neutrinos bestimmt.
Foto: M. Zacher/KATRIN Coll
Neutrinos sind unsichtbare Reisende durch das Universum. Billionen von ihnen durchqueren jede Sekunde Ihren Körper – ohne dass Sie es merken. Denn sie sind elektrisch neutral, extrem leicht und wechselwirken nur äußerst selten mit Materie. Genau diese Eigenschaften machen sie für die Physik so spannend – und ihre Masse so schwer messbar. Forschende des Karlsruher Institut für Technologie haben sich dennoch an diese Aufgabe gemacht.
Inhaltsverzeichnis
Warum die Masse von Neutrinos wichtig ist
In der Welt der Teilchenphysik spielen Neutrinos eine zentrale Rolle. Sie gehören zur Familie der Elementarteilchen und entstehen bei vielen Prozessen im Universum – etwa bei Kernreaktionen in Sternen oder in radioaktiven Zerfällen auf der Erde. Obwohl sie kaum mit Materie reagieren, beeinflussen sie die Entwicklung des Universums. In der Kosmologie helfen sie etwa, die Entstehung großräumiger Strukturen zu erklären. Doch eines blieb lange offen: Wie viel wiegt ein Neutrino eigentlich?
Diese Frage treibt Forschende weltweit um. Denn die Masse der Neutrinos könnte Hinweise auf bislang unbekannte physikalische Vorgänge liefern. Umso wichtiger ist eine präzise und direkte Messung.
KATRIN: Ein internationales Großexperiment in Karlsruhe
Am KIT steht eine der modernsten Anlagen zur Neutrinomassenmessung: das internationale KATRIN-Experiment (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment). Hier arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über 20 Institutionen in sieben Ländern zusammen, um die Masse von Neutrinos direkt im Labor zu bestimmen.
KATRIN nutzt dafür ein physikalisches Phänomen: den Betazerfall. Dabei zerfällt das radioaktive Isotop Tritium, eine spezielle Form von Wasserstoff, unter Aussendung eines Elektrons und eines Neutrinos. Die Idee: Wenn man die Energie der dabei entstehenden Elektronen genau genug misst, lässt sich daraus indirekt die Masse des Neutrinos ableiten.
Technische Meisterleistung auf 70 Metern
Die KATRIN-Anlage ist etwa 70 Meter lang. Im Zentrum steht ein gigantisches Spektrometer mit einem Durchmesser von zehn Metern. Es misst die Energie der Elektronen aus dem Tritium-Zerfall mit hoher Präzision. Hinzu kommt eine leistungsstarke Tritiumquelle, die für ausreichend Zerfallsereignisse sorgt.
Das Besondere an KATRIN: Die Messmethode ist modellunabhängig. Sie beruht ausschließlich auf messbaren physikalischen Größen – ganz ohne theoretische Annahmen über die Eigenschaften des Neutrinos.
Neue Daten, neue Grenze
Nun haben die Forschenden neue Ergebnisse veröffentlicht. In der Fachzeitschrift Science zeigen sie: Die Masse eines Neutrinos liegt unter 0,45 Elektronenvolt pro c². Umgerechnet entspricht das rund 8 × 10⁻³⁷ Kilogramm. Zum Vergleich: Ein Elektron – das leichteste elektrisch geladene Teilchen – ist mindestens eine Million Mal schwerer.
Das Team analysierte fünf Messkampagnen aus den Jahren 2019 bis 2021. „Wir haben fünf Kampagnen mit gut 250 Messtagen analysiert – das entspricht etwa einem Viertel der insgesamt mit KATRIN erwarteten Datennahme“, erklärt Prof. Kathrin Valerius vom KIT. In jeder dieser Kampagnen wurden die Messbedingungen weiter optimiert.
Künstliche Intelligenz hilft bei der Analyse
Die Auswertung der Daten stellte hohe Anforderungen an das internationale Analyseteam. „Die Analyse der KATRIN-Daten ist hochanspruchsvoll, da eine bisher noch nie erreichte Genauigkeit benötigt wird“, sagt Dr. Alexey Lokhov vom KIT. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Einsatz von Künstlicher Intelligenz, wie Dr. Christoph Wiesinger vom Max-Planck-Institut für Kernphysik ergänzt: „Wir benötigen den Einsatz hochmoderner Analysemethoden.“
Mit jeder Messreihe konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Unsicherheit weiter reduzieren. Gegenüber den letzten veröffentlichten Ergebnissen aus dem Jahr 2022 wurde die Obergrenze für die Neutrinomasse fast halbiert.
Wie geht es weiter?
Die Messungen mit KATRIN laufen noch bis Ende 2025. Bis dahin erwarten die Beteiligten eine noch größere Datenbasis – und möglicherweise neue Erkenntnisse. „Durch die kontinuierliche Verbesserung des Experiments und der Analyse, sowie durch eine größere Datenmenge erwarten wir eine noch höhere Sensitivität“, erklärt das Team.
Bereits geplant ist ein technisches Upgrade: Ab 2026 soll ein neues Detektorsystem namens TRISTAN installiert werden. Damit wollen die Forschenden nach sogenannten sterilen Neutrinos suchen. Diese hypothetischen Teilchen könnten eine Erklärung für Dunkle Materie liefern. Anders als normale Neutrinos würden sie noch schwächer mit Materie wechselwirken und wären damit noch schwerer nachzuweisen.
Parallel dazu entwickeln die Beteiligten mit dem Projekt KATRIN++ ein Konzept für die nächste Generation von Experimenten. Ziel ist eine noch präzisere Bestimmung der Neutrinomasse.
