KATRIN – die Neutrinowaage

Die Elementarteilchenphysik kennt eine besonders exotische Teilchensorte: die Neutrinos. Sie entstehen bei Kernreaktionen und treten mit Materie sonst fast gar nicht in Wechselwirkung. Um ihre Eigenschaften zu vermessen, muss ein gewaltiger technischer Aufwand betrieben werden. Was man von ihnen bisher weiß: Sie sind elektrisch neutral und sehr leicht. Wie schwer sie genau sind, soll das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment KATRIN in den nächsten Jahren bestimmen.

Auf dem Gelände des Forschungscampus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) befindet sich der größte Ultrahochvakuumtank der Welt. Eine glänzende, dicke Edelstahl-Zigarre, so lässt sich der optisch auffälligste Teil des KATRIN-Experiments beschreiben. Dieser Vakuumtank beherbergt das genaueste Spektrometer, das je für die Messung von Elektronenenergien im Bereich von 20 Kiloelektronenvolt gebaut wurde. Die Elektronen werden dafür herangezogen, die Masse ihrer neutralen Verwandten, der Neutrinos, zu bestimmen. Die Neutrinos selbst sind nämlich zu schwierig zu fassen, um direkt vermessen werden zu können.

Neutrinomasse: Gretchenfrage der Kosmologie

Die 12 Teilchensorten sind auf einer Pyramide angeordnet. Nebeneinander in einer Generation sind die Quarks u und d, das Elektron und das Elektron-Neutrino. Die zweite Generation bilden die Quarks c und s, das Myon und das Myon-Neutrino. Die dritte Generation besteht aus t- und b-Quark, Tauon, und Tau-Neutrino. Am Fuße der Pyramide steht gesondert das Higgs-Boson.
Standardmodell der Teilchenphysik

Warum interessieren sich die Wissenschaftler überhaupt für die genaue Masse dieser unscheinbaren Teilchen? Wenn sie doch so schwach mit Materie in Wechselwirkung treten, dann haben sie doch keinen großen Einfluss auf die Welt um uns herum, könnte man meinen. Doch weit gefehlt: An der Masse von Neutrinos entscheiden sich einige Grundsatzfragen im bisher außerordentlich erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik, das die Eigenschaften der grundlegenden Bausteine der Materie beschreibt.

Das Standardmodell kennt zwölf grundsätzlich verschiedene Materieteilchen, vier Teilchen, die für die Kraft zwischen ihnen verantwortlich sind, und das sogenannte Higgsteilchen. Bei einem so kleinen Baukasten, aus dem unsere Welt besteht, ist es wichtig, die Eigenschaften jedes einzelnen Bausteins genau zu verstehen. Zu diesem genauen Verständnis gehört die Kenntnis über die Masse der Neutrinos und des Mechanismus, der ihnen diese Masse verleiht.

Neutrinos sind die zweithäufigsten Teilchen im Universum. Noch heute bewegen sich fast alle Neutrinos, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, durch das Weltall und durchdringen auch unsere Körper; nur wenige sind durch die seltenen Wechselwirkungen mit Materie in andere Teilchen umgewandelt worden. Allein wegen ihrer großen Anzahl könnten die Neutrinos aus dem Urknall – eine entsprechend große Masse vorausgesetzt – die Entwicklung des Universums entscheidend beeinflussen. Schließlich wirken „schwere“ Teilchen (selbst wenn sie sehr leicht sind) über die Gravitation auf andere Objekte. Und genau diese Wechselwirkung war es, die einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall die Entstehung von Galaxienhaufen, Galaxien und Sternen einläutete. Welchen Anteil daran die Neutrinos hatten, hängt von ihrer Masse ab.

Das KATRIN-Experiment besitzt auf den ersten ca. 30 Metern eine Reihe kleinerer Vakuumtanks mit zugehöriger Experimentiertechnik. Am hinteren Ende befindet sich der zehn Meer durchmessende große Vakuumtank, der von Magnetspulen umgeben ist.
Aufbau des KATRIN-Experiments

Aus bisherigen Messungen kann man nur schließen, dass Neutrinos eine Masse besitzen, aber nicht, wie groß sie ist. Für die Entdeckung der Neutrinomasse gab es im Jahr 2015 den Physik-Nobelpreis. Die Messung dazu: Neutrinos kommen – wie die übrigen Elementarteilchen auch – in drei Generationen vor. Die uns umgebende Materie besteht hauptsächlich aus den Elementarteilchen der ersten Generation. Man hat beobachtet, dass sich Neutrinos aus jeweils einer der drei Generationen des Standardmodells in eine andere umwandeln. Dass dies möglich ist, folgt aus der Quantenmechanik, und zwar genau dann, wenn die Teilchen eine Masse besitzen. Da eine solche Umwandlung beobachtet wurde, bedeutet dies, dass Neutrinos eine Masse besitzen. Wie groß sie ist, folgt daraus allerdings nicht.

Weltweit genaueste Messung unter deutscher Federführung

Vorgängerexperimente von KATRIN in Troizk und Mainz nutzten die gleiche indirekte Messmethode. Allerdings waren beide Apparaturen deutlich kleiner und weniger leistungsfähig als die neue Neutrinowaage in Karlsruhe. Die bisherigen Messungen konnten um das Jahr 2000 die Neutrinomasse (genau genommen die Antineutrinomasse, von der man aber annimmt, dass sie mit der Neutrinomasse identisch ist) einschränken: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 Prozent ist das sogenannte Elektron-Antineutrino leichter als 2,05 eV/c². Die Einheit eV/c² ist in der Elementarteilchenphysik eine gebräuchliche Messgröße für die Masse. Die Neutrinomasse in Kilogramm anzugeben ist nämlich wenig anschaulich: Es sind weniger als 3,65⋅10–36 kg. In einem Vergleich wird vielleicht klar, wie leicht ein Neutrino ist: Würde man ein – ohnehin schon selbst sehr leichtes – Elektron mit Neutrinos aufwiegen wollen, benötigte man mindestens eine Viertelmillion von ihnen! Und ein Elektron wiederum ist nur so schwer wie ein Zweitausendstel der Kernbestandteile Proton und Neutron, die den größten Teil der Masse der uns umgebenden Materie ausmachen.

Wie eine Punktwolke: Erst durch viele Messungen werden aus einem sehr verrauschten Signal die gesuchten Kurven.
Simulation der Messungen von KATRIN

Mit KATRIN wird die Fachkompetenz der vorigen Experimente genutzt und weiter ausgebaut. Das neue Neutrino-Experiment wird seit 2001 unter Federführung des KIT und der Universität Münster errichtet. Aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) wurden 50 der 60 Millionen Euro Baukosten von KATRIN aufgebracht. Der deutsche Anteil an KATRIN liegt insgesamt bei 93 Prozent der Kosten. Für die Jahre 2001 bis 2017 hat das BMBF zusätzlich Projektmittel in Höhe von rund 9,6 Millionen Euro bereitgestellt und fördert damit Beiträge deutscher Universitäten zum KATRIN-Experiment im Rahmen der Verbundforschung.

Das Konsortium des KATRIN-Experiments umfasst über 150 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker und Studenten aus 15 Instituten aus Deutschland, Großbritannien, Russland, Spanien, Tschechien und den USA sowie vier angeschlossene Partnerinstitute aus Brasilien, Dänemark, Großbritannien und Russland. Der Zusammenschluss zur KATRIN-Kollaboration erfolgte im Jahr 2001.

Elektronenvermessung im Vakuumtank

Das Messprinzip von KATRIN beruht darauf, dass in Kernreaktionen Neutrinos immer gemeinsam mit Elektronen entstehen. Im Gegensatz zu den sehr schwer zu messenden Neutrinos, die praktisch ungehindert jede Materie durchdringen – und damit auch jedes Messgerät – sind Elektronen gut zu handhaben. Sie sind elektrisch geladen und lassen sich durch magnetische und elektrische Felder in ihrer Richtung ändern, beschleunigen, abbremsen und nach ihrer Geschwindigkeit sortieren. Aus zahlreichen Experimenten kennt man ihre Eigenschaften wie Masse und Ladung sehr genau.

Touchiert eine Billardkugel eine andere nur ganz wenig, dann wird sie kaum aus ihrer Bahn gelenkt und behält fast ihre gesamte Bewegungsenergie.
Zerfallsbillard: Leicht touchiert

Um mit ihrer Hilfe Neutrinos zu messen, nutzt man den radioaktiven Zerfall des instabilen Wasserstoffisotops Tritium. Der Tritiumkern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Er zerfällt mit einer Halbwertzeit von 12,32 Jahren zu einem leichten Heliumkern (bestehend aus zwei Protonen und einem Neutron), einem Elektron und einem Neutrino (genauer: einem Elektron-Antineutrino). Elektron und Neutrino entstehen beim Zerfall aus der Energie, die der Tritiumkern bei seiner Verwandlung in einen Heliumkern abgibt. Ihre Masse berechnet sich aus Einsteins berühmter Formel E=mc², in der Energie und Masse miteinander verknüpft sind.

Insgesamt verteilt sich die Energie auf die bekannten Massen des neu entstehenden Elektrons und des Heliums, auf die Bewegungsenergie von Helium und Elektron sowie auf die Bewegungsenergie und die gesuchte Masse des Neutrinos. Für den Fall, dass das Elektron praktisch die gesamte Bewegungsenergie abbekommt, bleibt das Neutrino – ähnlich wie eine nur ganz leicht touchierte Billardkugel – fast bewegungslos. Die Entstehung des Neutrinos kostet das Elektron nur die Energie, die der gesuchten Ruhemasse des Neutrinos entspricht. Diese Energie fehlt den schnellsten der Elektronen zum Höchstwert von 18 575 Elektronenvolt, den ein Elektron aus dem Zerfall hätte, bekäme es die gesamte Bewegungsenergie ab und wären die Neutrinos masselos. Im großen Spektrometer von KATRIN werden die Elektronen mit dieser und etwas niedrigerer Energie gezählt.

Um Elektronen von einer ganz bestimmten Energie zum Detektor am hinteren Ende der „Zigarre“ hindurchzulassen, zwingen elektrische und magnetische Felder den Elektronen komplizierte Flugbahnen auf. Nur Elektronen, die exakt eine bestimmte, experimentell eingestellte Energie besitzen, erreichen den Detektor am Ende des Experiments.

Ein runder Edelstahltank, bestehend aus konzentrischen Kreisen, über den sich ein Netz aus feinen Drähten spannt. In dem riesigen Tank steht vorne links ein Mensch, der von Kopf bis Fuß in einen Schutzanzug gekleidet ist.
Hauptspektrometer von KATRIN

Von den Elektronen, die beim Tritiumzerfall entstehen, werden in Vorfiltern zuvor nur diejenigen durchgelassen, die beinahe die maximale Energie besitzen. Dann wird für etwa einige Minuten das Hauptspektrometer so eingestellt, dass nur Elektronen mit einem ganz kleinen Energiebereich durchkommen. Danach wird dieser Energiebereich ein kleines Stück verschoben und wieder für einige Minuten gemessen. So entsteht nach und nach eine genaue Zählung der Elektronen jeder Energiestufe kurz vor der Endenergie.

Die Genauigkeit ist dabei beachtlich: Wären die Elektronen Autos und die Experimentanordnung eine Radarfalle, dann würden nur die Autos genau betrachtet, die ein Tempolimit von 100 km/h um höchstens 0,15 km/h überschreiten. Und von denen würden tagelang nur die Autos gezählt, die im Geschwindigkeitsbereich von 100,000 bis 100,005 km/h liegen, dann die von 100,005 bis 100,010 und so weiter. Nur etwa alle tausend Sekunden würde dabei ein Auto beobachtet, daher wird KATRIN entsprechend lange messen: fünf Jahre sind geplant.

Die Resultate: Noch Geduld bis 2021

15 Jahre nach Gründung der KATRIN-Kollaboration werden die Messungen im Sommer 2016 beginnen. Selbst dann ist noch Geduld gefragt: Nur alle rund tausend Sekunden wird ein Elektron aus dem zerfallenden Tritium die passende Energie besitzen und die 70 Meter lange Messstrecke passieren – das ergibt knapp hundert Messwerte pro Tag. Um daraus eine Messkurve zu erhalten, in der die Neutrinomasse als Knick an ihrem Ende erscheint, wird KATRIN etwa fünf Jahre lang messen, was nach Abzug von Wartungspausen einer durchgehenden Messzeit von drei Jahren entspricht.

Darstellung der Verteilung der Elektronen je nach Energie. Bei den höchsten auftretenden Energien läuft die Verteilung flach aus, wenn das Neutrino keine Masse besitzt. Bei einer angenommenen Neutrinomasse von 1 eV/c² bricht die Kurve bei einer Energie von 1 eV vor dem Maximum mit einem Knick ab – auch zuvor verläuft die Verteilung leicht unterhalb der Kurve eines masselosen Neutrinos.
Der Knick am Ende des Spektrums

Am Ende dieser Zeit stehen zwei verschiedene mögliche Antworten. Entweder: Das Neutrino ist leichter als 0,2 eV/c², was eine zehnfache Verkleinerung des bisherigen Grenzwertes wäre. Oder: Die Physiker kennen danach die Masse des Neutrinos, wenn es schwerer ist als dieser Grenzwert. Den Wert „5 Sigma“, mit der Physiker normalerweise eine Entdeckung angeben, erreichen sie bei einer Neutrinomasse von 0,35 eV/c² oder mehr – je schwerer das Teilchen und je höher die Anzahl der Ereignisse, desto präziser wird die Messung.

Sollte sich das Neutrino als leichter als 0,2 eV/c² herausstellen, dann müsste seine exakte Masse mit noch genaueren Messmethoden bestimmt werden – eine Aufgabe, die weitere Jahrzehnte in Anspruch nehmen würde.

Technologietreiber KATRIN

Mit dem Bau des KATRIN-Experiments wurde in vielen technischen Bereichen Neuland betreten. So ist der Ultrahochvakuumtank von KATRIN der größte der Welt, der das Volumen des Vakuums im 27 Kilometer langen Ring des Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf noch zehnfach übertrifft. Mit den Erfahrungen aus dem Bau von KATRIN können große Vakuumtanks für Forschung und andere spezielle Anwendungen nun routinemäßig hergestellt werden.

Ein kreisrunder Edelstahltank, liegend, umgeben von einer runden Gitterstruktur. Im Vordergrund stehen drei Menschen in weißem Kittel an einem Tisch.
Groß wie ein Haus: Der Vakuumtank von KATRIN.

Einen Innovationspreis am KIT erhielten Wissenschaftler von KATRIN für ihre Entwicklung eines präzisen Durchflussmessgeräts für kalte Gase. Im Experiment angewandt für die Quelle des Tritiums, ist eine Anwendung der zugrundeliegenden Technologie zum Beispiel in künftigen Wasserstofftankstellen für Brennstoffzellenfahrzeuge denkbar.

Im Bereich der elektrischen Messtechnik waren für das Experiment ganz neue Anforderungen für die Messung von Hochspannungen notwendig. Mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Promille und besser werden Spannungen von zwanzig Kilovolt gemessen – eine Technik, die auch Stromnetzbetreiber interessieren dürfte. Ebenfalls für Stromnetze interessant sind Isolatoren. Die größten jemals erzeugten keramischen Isolatoren befinden sich in Karlsruhe bei KATRIN.

Die Investitionen des Bundes in dieses führende Forschungsinstrument haben also nicht nur großen Nutzen für den Wissenschaftsstandort Deutschland. Immer wieder zeigt es sich, dass die technologischen Herausforderungen an der Grenze des Wissens zu neuen Lösungen führen, die schließlich auch technische Innovationen und neue Produkte hervorbringen können.

Steckbrief KATRIN

Typ:

Neutrino-Experiment zur Vermessung der Neutrinomasse

Technologie:

Tritium-Quelle und Elektronen-Spektrometer in einem Vakuumtank

Messmethode:

Indirekt über Messung der Elektronenenergie aus dem radioaktiven Betazerfall von Tritium (Elektron-Antineutrino)

Standort:

Karlsruhe, Deutschland

Betreiber:

KATRIN-Kollaboration

Baukosten:

60 Millionen Euro

Deutsche Beteiligung:

93 Prozent, davon BMBF etwa 50 Millionen Euro

Maße:

Gesamtexperiment: 70 Meter Länge
Vakuumtank: 24 Meter Länge, 10 Meter Durchmesser, 200 Tonnen Gewicht

Messbeginn:

Probebetrieb im 2. Halbjahr 2016

Routinebetrieb ab Frühjahr 2017

Geplante Messdauer:

Rund 5 Jahre, entsprechend einer durchgehenden Messzeit von 3 Jahren.

Spektrale Auflösung:

0,93 Elektronenvolt

Vorgesehene Empfindlichkeit:

0,2 Elektronenvolt (d.h. neue Grenze der Neutrinomasse, falls das Neutrino leichter ist als von KATRIN erreichbar)

Erreichbare Neutrinomasse:

> 0,35 eV/c²

(d.h. Bestimmung der Neutrinomasse mit einer Sicherheit von „5 Sigma“, wenn das Neutrino schwerer ist als 0,35 eV/c²)

Vorgängerexperimente:

Troizk-Experiment und Mainz-Experiment

 

Ergebnis beider Experimente kombiniert:

Neutrinomasse < 2,05 eV/c² mit 95 Prozent Sicherheit (Analyse von 2012), aktuell bester Grenzwert für die Neutrinomasse

Beteiligte Länder im Konsortium:

Deutschland, Großbritannien, Russland, Spanien, Tschechien, USA

Partnerländer:

Brasilien, Dänemark, Großbritannien und Russland