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Wie schwer sind Neutrinos? : Flüchtige Leichtgewichte auf der Waage

Im Inneren des Vakuumtanks des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments, Katrin. Jetzt herrscht darin ein Vakuum wie man es auf der Mondoberfläche antrifft. Ideale Voraussetzung, um die Neutrinomasse zu messen. Am 11. Juni 2018 hat Katrin offiziell seinen Messbetrieb aufgenommen. Bild: Michael Zacher

Ein Experiment der Extraklasse: In Karlsruhe machen sich Forscher daran, mit einer riesigen Waage die Masse von flüchtigen Neutrinos zu messen und damit eines der großen Rätsel der Teilchenphysik und Kosmologie zu lüften.

          In Karlsruhe steht die größte Waage der Welt. Sie ist 23 Meter lang, zehn Meter breit und mit 200 Tonnen selbst ein Schwergewicht. Gesamtkosten mehr als 50 Millionen Euro. Was an eine umgefallene Thermoskanne erinnert, ist ein gigantischer Vakuumtank, in dem ein empfindliches Elektronen-Spektrometer steckt. Mit diesem Instrument wollen 200 Forscher aus sieben Ländern äußerst flüchtige Leichtgewichte wiegen: Neutrinos.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Diese ungeladenen Elementarteilchen sind zwar die häufigsten Bausteine des Universums – jeder Kubikzentimeter im All enthält Hunderte von ihnen. Wie viel Neutrinos genau wiegen, wissen die Wissenschaftler aber bis heute nicht. Dabei ist das eine der wichtigsten Fragen der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Rasen Neutrinos doch fast mit Lichtgeschwindigkeit seit dem Urknall durch das Universum und beeinflussen die Evolution des Kosmos. Will man die Entwicklung des Universums verstehen, muss man wissen, wie schwer diese Teilchen wirklich sind. Wie viel Neutrinos nun genau auf die Waage bringen, soll in den kommenden fünf Jahren das „Karlsruher Tritium Neutrino Experiment“ (kurz „Katrin“) beantworten. Nach einer Bauzeit von mehr als fünfzehn Jahren und einer längeren Testphase ist die Neutrino-Waage am Montag offiziell in Betrieb genommen worden.

          Neutrinos entstehen beim sogenannten radioaktiven Beta-Zerfall etwa in Kernreaktoren oder werden massenhaft im Inneren der Sonne gebildet, wenn dort Atomkerne verschmelzen. Auch bei Kernreaktionen in der Höhenstrahlung entstehen Neutrinos. Pro  Sekunde durchqueren Abermilliarden dieser Teilchen die Erde, ohne dabei irgendwelche Spuren zu hinterlassen. Denn diese Partikel reagieren kaum mit normaler Materie. Entsprechend schwierig ist es, diese Geisterteilchen einzufangen und ihnen Eigenschaften wie die Masse zu entlocken. Dabei wäre der genaue Wert der Neutrinomasse für Kosmologen und Teilchenphysiker gleichermaßen von fundamentaler Bedeutung. Seit langem werden Neutrinos als Kandidaten für die „heiße“ dunkle Masse gehandelt, die seit dem Urknall offenkundig für die Ausbildung und die Verteilung der großen Strukturen im Universum mitverantwortlich ist. Je größer die Masse ist, desto stärker ist auch der Einfluss der Neutrinos.

          Fast 20 Jahre hat die Entwicklung und der Bau von Katrin gedauert. Am 11. Juni erfolgte der offizielle Startschuss für die Messungen. Bilderstrecke

          Lange waren Neutrinos nur ein Hirngespinst. 1930 hatte Wolfgang Pauli erstmals ernsthaft über ihre Existenz spekuliert, als er erkannte, dass ohne ein solches Teilchen beim Beta-Zerfall zwei unumstößliche Prinzipien der Physik verletzt würden - die Erhaltung der Energie und des Drehimpulses. Pauli behob diese Schwierigkeit mit einem Trick: Er postulierte, dass beim Beta-Zerfall zusammen mit dem Elektron noch ein weiteres Teilchen entstünde, das extrem flüchtig sein würde und keine elektrische Ladung sowie keine Masse haben sollte und den fehlenden Energiebetrag mitnehmen würde. Doch erst 1956 konnten Frederick Reines und Clyde Rowan mit ihrem legendären „Poltergeist“-Experiment am Los Alamos National Laboratory die fiktiven Teilchen, die von einem Kernreaktor produziert wurden, tatsächlich nachweisen.

          Der einsame Rekordwert aus Mainz und Troitsk

          Die Frage, ob Neutrinos überhaupt eine Masse besitzen, ließ sich erst noch viel später definitiv beantworten. Ende der neunziger Jahre fanden Wissenschaftler mit dem Super-Kamiokande-Detektor, der in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka in einer unterirdischen Mine untergebracht war, deutliche Hinweise dafür, dass sogenannte Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre erzeugt werden, sich in eine andere Neutrinoart umwandeln können. Die Entdeckung wurde 2015 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt. Derartige Neutrino-Oszillationen, die man mittlerweile vielfach auch bei solaren und künstlich erzeugten Neutrinos beobachtet hat, sind nur möglich, wenn diese Teilchen eine Masse besitzen. Wie groß diese ist, ist - trotz der vielen Bemühungen, die Neutrinos zu wiegen - bislang offengeblieben.

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