Genauer als gedacht

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Ein Blick ins Innere des KATRIN-Experiments.    KATRIN / KIT

Ein Blick ins Innere des KATRIN-Experiments. KATRIN / KIT

Wegen ihrer extrem kleinen Masse spielen Neutrinos eine Schlüsselrolle in Kosmologie und Teilchenphysik. Nach Auswertung der ersten Messergebnisse im Karlsruher-Tritium-Neutrino-Experiment KATRIN steht nun fest: Die bisher unbekannte Masse des Neutrinos muss unter 1 Elektronenvolt liegen. Dieses Resultat ist wesentlicher genauer als bisherige Messungen und weckt Hoffnung, neue Neutrino-Eigenschaften aufzudecken.



Neben Lichtteilchen, den Photonen, sind Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum. Die Entdeckung der Neutrino-Oszillation vor zwei Jahrzehnten lieferte den Beleg, dass sie -entgegen früherer Erwartungen - eine sehr kleine, von Null verschiedene Masse besitzen.

Damit spielen die Leichtgewichte eine zentrale Rolle bei der Bildung von großräumigen Strukturen im Kosmos. Auch in der Welt der Elementarteilchen deutet ihre sehr kleine Masse auf eine neue Physik jenseits gängiger Modelle hin.

In den nächsten Jahren soll nun die weltweit genaueste ,,Waage", das internationale KATRIN-Experiment am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Masse der faszinierenden Neutrinos mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen. Eine der Forschungsgruppen leitet MaxPlanck@TUM-Tenure Track-Professorin Susanne Mertens.

Im Frühjahr 2019 führte das 150-köpfige KATRIN-Team zum ersten Mal Neutrino-Messungen durch. Dazu ließen sie über mehrere Wochen hochreines Tritiumgas zirkulieren und zeichneten die Energiespektren von Elektronen aus dem Tritiumzerfall auf. Aus den aufgenommenen Daten versuchten sie dann die Neutrinomasse abzuleiten.

Um drei wirklich unabhängige Resultate zu erhalten, arbeiteten drei internationale Auswertegruppen vollkommen eigenständig parallel. Wichtige Zusatzinformationen wurden bis zum letzten Analyseschritt verhüllt. Erst am Abend des 18. Juli 2019 wurden alle Daten freigeschaltet.

Damit konnten die zeitgleich gestarteten Programme über Nacht die Messdaten mit der Modellerwartung vergleichen und nach der charakteristischen Signatur der Neutrinomasse abtasten.

Alle drei Gruppen vermeldeten identische Resultate, die die Neutrinomasse auf einen Wert von kleiner als 1 Elektronenvolt (eV) begrenzen. Damit weist KATRIN schon nach seiner ersten Messphase die weltweit größte Genauigkeit für die Neutrinomasse auf.

Susanne Mertens, Leiterin der Gruppe am Physik-Department der TU München und am Max-Planck-Institut für Physik (MPP), koordinierte eine dieser Haupt-Analysen. Die dafür von der Arbeitsgruppe entwickelte Auswertungsstrategie wurde als zentrales Ergebnis dieser Messkampagne veröffentlicht.

Daneben war die Gruppe maßgeblich an der Charakterisierung des Untergrunds beteiligt und übernahm wichtige Aufgaben bei der Kalibrierung der Tritiumquelle. Mertens: ,,Ich bin sehr stolz auf mein Team, das bei der anspruchsvollen Datenanalyse fantastische Arbeit geleistet hat."

First operation of the KATRIN experiment with tritium M. Aker, K. Altenmüller, M. Arenz et al. arXiv:1909.06069 [physics.ins-det]

An improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN M. Aker, K. Altenmüller, M. Arenz et al. arXiv:1909.06048 [hep-ex]


Massen werden in der Teilchenphysik statt in Kilogramm entsprechend der Einsteinschen Gleichung E = mc2 in Elektronenvolt [eV] (als Einheit für die Energie)/Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat angegeben, da der Zahlenwert sonst unpraktikabel klein würde: 1 eV/c2 entspricht 1,8x10-36 Kilogramm.

Die jetzt veröffentlichten Analysen nutzen ein seit langem bekanntes Prinzip zur direkten Bestimmung der Neutrinomasse: Beim radioaktiven Zerfall von Tritium teilen sich das entstehende Elektron und ein Neutrino die freiwerdende Energie von 18,6 Kiloelektronenvolt.

In sehr seltenen Fällen erhält das Elektron praktisch die gesamte Energie, während für das Neutrino nur ein winziger Bruchteil davon übrigbleibt, mindestens aber - gemäß Einsteins Gleichung - der Betrag E = mc² seiner Ruhemasse.

Von den etwa 25 Milliarden Elektronen, die beim Tritium-Zerfall pro Sekunde freigesetzt werden, haben die KATRIN-Wissenschaftler nur eine kleine Teilmenge untersucht: Sie filterten rund 2 Millionen Elektronen mit dem passenden Energiespektrum heraus, um die Neutrinomasse zu ermitteln.

Research group Mertens
KATRIN experimental setup
The KATRIN-Experiment at the MPI für Physik

Susanne Mertens
Technische Universität München und
Max Planck Institute für Physik
Föhringer Ring 6, 80805 München
susanne.mertens [at] tum (p) de
Tel.: +49 89 32354 590

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