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60-Millionen-Euro-Projekt am KIT gestartet Neutrinos kommen auf die Waage

In Karlsruhe ist nach jahrelangen Vorbereitungen ein weltweit einmaliges Experiment gestartet. Die Masse von Neutrinos soll bestimmt werden. Elementarteilchen von kosmischer Bedeutung.

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1:04 min | Fr, 14.10.2016 | 19:30 Uhr | SWR Fernsehen BW

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"Katrin" sorgt für klare Verhältnisse

Jetzt werden Neutrinos gewogen

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beginnt die Arbeit der Neutrino-Waage "Katrin". Mit dem 60-Millionen-Euro-Projekt wollen Forscher in den kommenden Jahren das Gewicht der winzigen Elementar-Teilchen messen.

Neutrinos sind überall: Die winzigen Elementarteilchen entstehen bei atomaren Zerfallsprozessen, etwa in der Sonne. Billionenfach prasseln sie ohne Unterlass auf uns ein - völlig unbemerkt. Weil sie nicht elektrisch geladen sind, durchdringen sie Materie. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wollen Forscher herausfinden, was diese Teilchen wiegen. Am Freitag geht das 60-Millionen-Euro-Projekt in den Messbetrieb.

Was sind Neutrinos?

Atome sind ja schon sehr klein, ebenso ihre Bestandteile, die Protonen und Elektronen. Aber noch viel kleiner sind die sogenannten Neutrinos. Sie sind aber wichtig, weil sie möglicherweise erheblich zur Gesamtmasse des Universums beitragen. Neutrinos entstehen beim radioaktiven Zerfall.

Wie klein sie sind, weiß eigentlich niemand, sie machen sich auch kaum bemerkbar: Sie tun nichts, sie fliegen durchs Weltall, sind praktisch durch nichts aufzuhalten, fliegen buchstäblich durch die Erde durch. Lange haben sich Physiker gefragt: Haben Neutrinos überhaupt eine Masse? Inzwischen ist klar: Eine Masse haben sie - nur wie groß sie ist, weiß niemand. Das soll jetzt in Karlsruhe bestimmt werden.

Im vergangenen Jahr wurde der Versuchsaufbau für das "KArlsruhe TRItium Neutrino" (KATRIN) abgeschlossen. Die "Waage", die die KIT-Forscher dafür konstruiert haben, wiegt 200 Tonnen. "First light" nennen die Wissenschaftler das Ereignis, wenn der Detektor zum ersten Mal Elektronen misst, die durch die 70 Meter lange Anlage rasen.

Wie wollen die Karlsruher die Neutrino-Masse bestimmen?

Das Problem ist: Gerade weil sie durch nichts zu bremsen sind, lassen sie sich auch nicht beobachten geschweige denn wiegen. Um die Masse trotzdem zu bestimmen, planen die Karlsruher nun Folgendes:

Erst einmal erzeugen sie selbst Neutrinos. Dazu lassen sie Tritium-Atome - also besonders schweren Wasserstoff - radioaktiv zerfallen. Da sie wissen, wie viele Atome zerfallen, wissen sie auch, wie viele Neutrinos entstehen, nämlich 100 Milliarden pro Sekunde. Doch diese fliegen, wie gesagt, spurlos davon. Neben den 100 Milliarden Neutrinos entstehen aber gleichzeitig auch 100 Milliarden Elektronen, negativ geladene Teilchen. Auch die fliegen davon, aber immerhin kann man die Elektronen beobachten und man kann ihre Energie bestimmen.

Energie der Elektronen lässt auf Masse der Neutrinos rückschließen

 Leitstand des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments

KIT-Wissenschaftler am Leitstand des KATRIN-Projekts (Archivbild)

Das passiert im eigentlichen Herzstück der Karlsruher Anlage, einem großen Vakuum-Tank mit zehn Metern Durchmesser. Dort fliegen die beim Tritium-Zerfall neu entstandenen Elektronen hinein. Dann machen die Forscher es ihnen schwer: Sie legen in dem Vakuum-Tank eine Spannung an, die der Flugrichtung der Elektronen entgegenwirkt. Dadurch werden die Elektronen gebremst und nur ein paar ganz wenige von ihnen haben so viel Energie, dass sie überhaupt am anderen Ende des Tanks ankommen. Nur diese Maximalenergie ist für die Forscher interessant. Denn sie kennen ja die Gesamtenergie, die beim radioaktiven Zerfall frei wird. Wenn sie von dieser Gesamtenergie die Maximalenergie der Elektronen abziehen, wissen sie wie viel Energie die Neutrinos haben müssen und können somit auf deren Masse rückschließen.

Neutrinos - Teil der geheimnisvollen Dunklen Materie?

Und wozu das alles? Weil das Neutrino von kosmischer Bedeutung ist: Neutrinos entstanden schon in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall. Sie sind die häufigsten Teilchen im Universum, aber solange die Physiker ihre Masse nicht kennen, fehlen ihnen wichtige Informationen.

Zum Beispiel könnte es sein, dass Neutrinos zumindest einen wichtigen Teil der geheimnisvollen Dunklen Materie bilden. Also eine Materieform im Kosmos, die man nicht sehen kann, deren schiere Masse aber zum Beispiel bewirkt, dass sich die Galaxien viel schneller drehen, als sie es eigentlich sollten. Wenn die Forscher Glück haben, können sie in ein paar Jahren die Masse der Neutrinos angeben. Wenn sie Pech haben, finden sie nur heraus, dass selbst diese bisher genaueste aller Neutrino-Waagen immer noch nicht reicht, um die Masse genau zu bestimmen.

Hintergrundinformationen: Gabor Paal, SWR Wissenschaftsredaktion
Online-Umsetzung: Thurit Kriener

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