KATRIN Neutrinowaage (Foto: SWR, SWR - Thomas Hillebrandt)

Wie viel wiegt ein Geisterteilchen? Weltweit genaueste Waage misst Neutrinos

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Von Thomas Hillebrandt

In Karlsruhe wird jetzt die weltbeste Neutrinowaage in Betrieb genommen. Neutrinos gehören zu den geheimnisvollsten Teilchen im Universum. Ihre Masse ist bisher unbekannt - aber wichtig, um das Universum zu verstehen.

Es gibt mehr Neutrinos als Atome im Universum. Sie werden auch Geisterteilchen genannt, denn sie durchdringen fast alles, reagieren kaum mit anderer Materie und sind so klein und leicht, dass die Wissenschaft lange Zeit glaubte, sie hätten keine Masse. Heute weiß man: Sie haben eine - doch wie groß sie ist, weiß niemand. Doch selbst wenn sie winzig klein ist: Die Summe aller Neutrinos könnte erheblich zur Gesamtmasse des Universums beitragen und zum Beispiel einen wichtigen Anteil an der geheimnisvollen "Dunklen Materie" haben.

Am KIT wird deshalb ein Mega-Experiment gestartet, mit dem man die Neutrinos wiegen will.

Neutrinos entstehen beim radioaktiven Zerfall

Das Problem: Gerade weil sie durch nichts zu bremsen sind, lassen sich Neutrinos auch nicht beobachten, geschweige denn wiegen. Um die Masse dennoch zu bestimmen, haben Karlsruher Physiker nun 17 Jahre lang an einem riesigen Versuchsaufbau getüftelt. Entstanden ist das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment - kurz KATRIN. In einer 70 Meter lange Mega-Anlage erzeugen die Forscher zunächst selbst Neutrinos.

KATRIN Neutrinowaage - Tritiumquelle (Foto: SWR, SWR - Thomas Hillebrandt)
KATRIN Neutrinowaage - Tritiumquelle. In diesem Teil der Anlage zerfallen die Tritiumteilchen. SWR - Thomas Hillebrandt

Und zwar indem sie Tritiumatome – also besonders schweren Wasserstoff – radioaktiv zerfallen lassen. Wenn ein Tritiumatom zerfällt, entstehen ein Elektron und ein Neutrino und eine gewisse, immer genau gleich große Menge Energie, die den beiden Teilchen mitgegeben wird. Diese immer gleiche Energiemenge wird aber bei jedem Tritiumzerfall ein wenig anders auf das Elektron und sein Neutrino verteilt. Mal bekommt das Elektron mehr Energie ab, mal das Neutrino.

Messen können die Karlsruher Forscher in KATRIN nur die Energie des Elektrons. Aus deren Kenntnis lässt sich aber die Energie des Neutrinos errechnen – denn die Summe der beiden muss ja immer dieselbe sein.

Aus der Energie von Elektronen soll die Masse von Neutrinos errechnet werden

Um die Energie der Elektronen zu messen, steht am Karlsruher Institut für Technologie - kurz KIT - ein großer Vakuum-Tank mit 10 Metern Durchmesser bereit. Den sollen die beim Tritiumzerfall entstehenden Elektronen durchqueren – müssen dabei aber gegen fast 19000 Volt elektrische Spannung ankämpfen, die den Flug der Elektronen immer weiter abbremst und die meisten sogar zur Umkehr zwingt.

Nur ganz wenige der Elektronen haben so viel Energie, dass sie flott genug sind, um am anderen Ende des Tanks anzukommen. Das Neutrino, das mit ihnen gemeinsam entstanden ist, hat dagegen ganz wenig der Zerfallsenergie abbekommen. Diese Minimalenergie reicht gerade aus, um ein bewegungsloses ruhendes Neutrino herzustellen. Mit der Formel E=mc2 aus der Einsteinschen Relativitätstheorie können die KIT-Forscher dann die Ruheenergie des Neutrinos ganz wunderbar in seine Ruhemasse umrechnen - und hätten damit ihr Ziel erreicht!

Neutrino-Waage als technische Herausforderung

Insgesamt ist die ganze Neutrino-Waage eine 70 Meter lange Anlage. Am Anfang steht die Tritium-Quelle und am Ende wartet ein riesiges Spektrometer auf ankommende Elektronen. Dieses 24 Meter lange, haushohe Spektrometer ist eine weltweit einmalige Konstruktion. Im Inneren der Edelstahl-Hülle herrscht ein Vakuum wie auf der Mondoberfläche.

KATRIN Neutrinowaage (Foto: SWR, SWR - Thomas Hillebrandt)
SWR - Thomas Hillebrandt

Mit dem Schiff rund um Europa

Die KATRIN-Planungen begannen 2001. Da nur eine Firma aus dem bayerischen Deggendorf in der Lage war, die technischen Vorgaben für den Spektrometer-Bau zu erfüllen, startete nach der Fertigstellung eine fast 9.000 Kilometer lange Reise Richtung Karlsruhe.

Denn für einen Transport über die Straße war das Spektrometer zu groß. Also wurde es per Schiff nach Karlsruhe gebracht, d.h. von Oberbayern über die Donau bis zum Schwarzen Meer, von dort über den Bosporus ins Mittelmeer, um halb Europa herum bis nach Holland und von dort den Rhein hoch bis kurz vor Karlsruhe, wo das Spektrometer dann mit dem größten Kran Europas vom Schiff geholt wurde.

Und die letzte kurze Etappe vom Hafen zwischen Wohnhäusern vorbei bis aufs Gelände des Instituts, war nochmal Millimeterarbeit.

KATRIN Neutrinowaage (Foto: SWR, SWR - Thomas Hillebrandt)
Anwohner und Schaulustige sehen zu, wie die riesige Versuchsanlage millimetergenau zwischen den Häusern durchmanövriert wird. SWR - Thomas Hillebrandt

In den folgenden Jahren wurde damit die präziseste Neutrino-Waage der Welt gebaut. Dazu gehörten Pumpen für das Hochleistungsvakuum und ausgeklügelte Technik, um an den Riesentank eine extrem stabile Hochspannung von fast 19.000 Volt anlegen zu können.

Neutrinos wiegen - ein Langzeitprojekt

Der Leiter KATRIN-Projekts, Guido Drexlin, geht davon aus, dass die Messungen des Spektrums bis zum Jahr 2024 stattfinden werden. In dieser Zeit sollen aber auch schon Ausbaupläne realisiert werden, die noch genauere Messungen der Neutrinomasse ermöglichen sollen.

KATRIN Neutrinowaage (Foto: SWR, SWR - Thomas Hillebrandt)
Forscher überprüfen die Energie der entstandenen Elektronen und errechnen daraus die wahrscheinliche Masse der Geisterteilchen Neutrinos. SWR - Thomas Hillebrandt

Langer Weg zum Wissen

Dass es so lange dauert liegt auch daran, dass es nur etwa alle 15 Minuten ein Elektron zum Spektrometer schafft und dann gemessen werden kann. Der Weg zum Wissen ist noch lang.

KATRIN ist bereit. In den kommenden Jahren wird die Welt der Physik auf Karlsruhe schauen und gespannt darauf warten, dass von hier aus verkündet wird: Wir kennen die Masse der Neutrinos. Dann ist ein weiteres Geheimnis unseres Universums gelüftet.

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