KATRIN-Experiment durchbricht die Grenze von 1 Elektronenvolt für die Neutrinomasse
Neutrinos sind winzige, neutrale subatomare Teilchen mit sehr wenig Masse – so minimal, dass die Wissenschaft lange Zeit davon ausging, die Masse sei gleich Null. Sie sind die am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum, die eine Masse haben. Da sie jedoch nur selten mit anderer Materie interagieren, ist es unglaublich schwierig, sie aufzuspüren und ihre Masse auch zu messen. Den Forschenden des internationalen Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments (KATRIN) ist es nun gelungen, die Masse eines Neutrinos mit bemerkenswerter Genauigkeit zu bestimmen. Doch warum ist es so wichtig, die Masse eines Neutrinos zu kennen? Diese winzigen Neutrinos sind sowohl für die Teilchenphysik als auch für die Kosmologie von Bedeutung, da sie auf neue physikalische Phänomene hinweisen, die über die derzeitigen Modelle hinausgehen. Außerdem spielen sie eine wichtige Rolle bei der Entstehung von großräumigen Strukturen wie Galaxien. Die Kenntnis ihrer Massenskala würde daher einen unschätzbaren Einblick in die Funktionsweise des Universums ermöglichen. Mit teilweiser Unterstützung des EU-finanzierten Projekts SENSE hat das KATRIN-Wissenschaftsteam nun eine neue Obergrenze für die Masse eines Neutrinos ermittelt: 0,8 eV. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht. Im KATRIN-Experiment wurde Tritium, ein instabiles Wasserstoffisotop, untersucht. Es unterliegt einem radioaktiven Zerfallsprozess, dem so genannten Betazerfall. Für die Messung der Neutrino-Masse wurde die Energieverteilung der im Betazerfallsprozess freigesetzten Elektronen genauer beobachtet. Wie in der Pressemitteilung auf der Website des Max-Planck-Instituts für Physik, das vom SENSE-Projektpartner Max-Planck-Gesellschaft betrieben wird, berichtet wird, ist für ein solches Unterfangen „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..“
Bessere Empfindlichkeit
Seit dem Beginn der Messungen im Jahr 2019 konnte das Forschungsteam die Empfindlichkeit des Experiments verbessern, indem es die Aktivität der Tritiumquelle (die Geschwindigkeit, mit der Teilchen erzeugt werden) um den Faktor 3,8 erhöhte und das Hintergrundrauschen um 25 % verringerte. Der Co-Sprecher des Experiments, Prof. Dr. Christian Weinheimer von der Universität Münster in Deutschland, kommentiert die vorgenommenen Verbesserungen: „Dabei waren die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend für das neue Resultat.“ In derselben Meldung beschreibt Prof. Dr. Guido Drexlin vom Karlsruher Institut für Technologie, wo das KATRIN-Experiment durchgeführt wird, dass das Experiment „nun wie ein perfektes Uhrwerk läuft“. Die Bestimmung einer neuen Obergrenze von 0,8 eV für die Neutrinomasse markiert das erste Mal in der Geschichte, dass ein Experiment dieser Art in den Sub-Elektronenvolt-Massenbereich vordringt. Die vorherige Obergrenze für diese Masse, die vom KATRIN-Wissenschaftsteam im Jahr 2019 ermittelt wurde, lag bei 1,1 eV. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde“, kommentiert Neutrinoexperte Prof. John Wilkerson von der University of North Carolina, Vereinigte Staaten. Das KATRIN-Team wird die Messungen der Neutrinomasse bis Ende 2024 fortsetzen, wenn auch das Projekt SENSE (Sterile neutrino search in tritium beta decay) endet. Bis dahin wollen die Forschenden „nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen“, sondern „fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“ umsetzen. Weitere Informationen: SENSE-Projekt
Schlüsselbegriffe
SENSE, Neutrino, Masse, KATRIN, Tritium, Elektronenvolt, eV, Physik, Teilchen