Die Neutrönchen auf der Waage

Wolfgang Pauli zählt zu den Großen der modernen Physik. Sein Zeitgenosse Albert Einstein revolutionierte mit seiner Allgemeinen und Speziellen Relativitätstheorie das Verständnis des Makrokosmos, Pauli trug parallel dazu maßgeblich zu der physikalischen Welt des unvorstellbar Kleinen bei und widmete sich der in den 1920er-Jahren aufkommenden Quantenmechanik.

So untersuchte er unter anderem für den radioaktiven Zerfall, den Antoine Becquerel entdeckt hatte und durch das Ehepaar Curie eifrig erforscht wurde. Während es zu Paulis Zeiten noch landläufige Meinung war, dass beim Beta-Minus-Zerfall nur ein Elektron ausgesendet wird, erkannte Pauli, dass es noch ein drittes Teilchen geben musste, da das beobachtete Spektrum sonst dem Energieerhaltungssatz widerspräche.

Pauli nahm als Erster an, dass noch ein drittes Teilchen ausgesandt werden musste, das einen Teil der freigewordenen Energie mit sich trägt. Da dieses Teilchen bislang unentdeckt blieb, musste es die Detektoren unbemerkt passieren. In einem Brief an Enrico Fermi berichtete Pauli von seiner Überlegung und nannte das neue Teilchen „Neutron“. Fermi, der anschließend eine Theorie zu den Eigenschaften dieses Teilchens ausarbeitete, nannte es bei seinem Spitznamen "Neutrino" (italienisch für "Neutrönchen").

1933 präsentierte Pauli seine Theorie schließlich der Öffentlichkeit und stellte die Frage nach einer Möglichkeit des Neutrino-Nachweises. Auf die Antwort musste Pauli lange warten. Erst im Jahr 1956 gelang die erste (indirekte) Beobachtung des Elektron-Antineutrinos mit Hilfe des Cowan-Reines-Neutrino-Experimentes. Dabei wurde die Vermutung genutzt, dass das Elektron-Antineutrino mit einem Proton wechselwirken sollte, wobei ein Neutron und ein Positron (das Gegenstück zum Elektron) entstehen würde. Trifft dann das Positron auf ein Elektron, kommt es zur Annihilation, wodurch zwei nachweisbare Photonen entstehen. Das entstandene Neutron wiederum wäre nachweisbar, indem man die Gamma-Strahlung misst, die entsteht, wenn es von einem geeigneten Kern eingefangen wird. Werden also beide Phänomene registriert – Paarvernichtung mit Photonenaussendung und Neutroneneinfang mit Gamma-Strahlung – wäre der eindeutige Nachweis der Antineutrino-Wechselwirkung erbracht. In den Folgejahren intensivierten Physiker Weltweit ihre Forschungsarbeiten und wiesen 1962 das Myon-Neutrino und schließlich im Jahr 2000 das Tau-Neutrino nach.

Wir wissen heute, dass es insgesamt drei Arten (Generationen) von Neutrinos und ihrer Antiteilchen (Antineutrinos) gibt. Messungen zu den Eigenschaften dieser Teilchen sind allerding enorm schwierig. Im Gegensatz zu den anderen Elementarteilchen finden mit Neutrinos nur Prozesse der schwachen Wechselwirkung statt und sind somit sehr selten.

Das seit 15 Jahren im Aufbau befindliche und am 11. Juni 2018 gestartete Experiment KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) soll hier endlich Abhilfe schaffen. Herzstück des Experiments ist ein 24m x 10m großer und 200 Tonnen schwerer Vakuumtank, der aufgrund seiner Größe auf einem 8600 Kilometer langen Wasserweg (über Donau, Schwarzes Meer, Mittelmeer, Atlantik, Ärmelkanal, Nordsee, Rhein nach  Leopoldshafen bei Karlsruhe) transportiert werden musste.

Ziel des Experiments ist es, die Masse der Neutrönchen genau zu bestimmen. Für diese existieren zwar bereits Ober- und Untergrenzen, diese unterscheiden sich jedoch je nach Modell deutlich. Derzeit wird die Neutrinomasse in den Bereich zwischen 0,01 Elektronenvolt (eV) und 1 eV verortet (zum Vergleich: ein Elektron hat eine Masse von mehr als 500.000 eV, also knapp 10-32 Kilogramm und eine Präzisierung könnte Auswirkung auf das Standardmodell – vielleicht sogar eine Neuformulierung desselben – haben. Auch die Auswirkungen auf das große Ganze, das Universum, würden enorm sein, da vermutet wird, dass uns Neutrinos einen Schritt näher an das Verständnis der dunklen Materie heranbringen könnten.

Mittels des riesigen Vakuumtanks, dessen Inhalt nahezu vollkommene Leere ist, und eines Spektrometers können winzigste Energien gemessen werden. Diese Energien stammen von Elektronen, die zusammen mit Neutrinos beim Zerfall von Tritium-Atomkernen entstehen, wobei die Elektronenenergie wie bereits beschrieben durch die Energie der Neutrinos vermindert wurde. Nimmt dabei das Elektron jedoch den maximal möglichen Teil der Zerfallsenergie auf, ist klar, dass die restliche Energie im Neutrino (also seiner Masse, da E=mc2) selbst stecken muss. Und genau diese Sonderfälle sind es, die KATRIN versucht aufzuspüren. Dazu werden alle beim Zerfall entstandenen Elektronen mittels Magnetfeldern nach ihrer Masse gefiltert, sodass nur die übrig bleiben, deren Energie (Masse) maximal ist. Um die Menge dieser Elektronen zu vergrößern, wird so viel Tritium genutzt, dass sekündlich 100 Milliarden Zerfälle stattfinden, von denen etwa ein gesuchtes Elektron pro Sekunde ausgeht.

Nach erfolgreichen Testläufen nahm KATRIN am 11. Juni 2018 ihren fünfjährigen Betrieb auf und wird – so die Hoffnungen der Wissenschaftler – bereits in einem halben Jahr Ergebnisse liefern, die die bisherigen Messungen an Präzision übertreffen.

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