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Lüftet „Katrin“ das Geheimnis vom Gewicht der Geisterteilchen?

Neutrinos auf der Waage

| Redakteur: Christian Lüttmann

Niemand sieht sie, keiner spürt sie, und doch rasen in jedem Moment Milliarden von ihnen durch uns hindurch: Neutrinos. Den mysteriösen Elementarteilchen soll bald jedoch ein Geheimnis entlockt werden, nämlich ihre genaue Masse. Um diese zu ermitteln haben Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie nun die angeblich genauste Neutrinowaage der Welt in Betrieb genommen.

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Im Inneren des Hauptspektrometertanks des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments „Katrin“
Im Inneren des Hauptspektrometertanks des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments „Katrin“
(Bild: KIT/Michael Zacher)

Berlin – Am 11. Juni 2018 nahm Katrin – das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment – am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Betrieb auf. Dabei handelt es sich laut einer Pressemeldung um die genaueste Neutrinowaage der Welt. Physiker wollen damit eines der größten Geheimnisse der Neutrinos entschlüsseln – ihre Masse. So wollen sie den Grundbausteinen des Universums auf die Spur kommen.

„Katrin ist ein Experiment der Superlative und wird die Erkenntnisse über unser Universum um ein entscheidendes Puzzleteil ergänzen“, sagt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. Die Forschungswelt erwartet gespannt die Ergebnisse. Doch was sind Neutrinos überhaupt?

Geisterteilchen des Universums

Neutrinos werden als Geisterteilchen des Universums bezeichnet, denn nur mit erheblichem Aufwand sind sie überhaupt zu messen. Während sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durchs Weltall bewegen, hinterlassen sie so gut wie keine Spuren. Auch jegliche Materie durchdringen sie nahezu ungehindert, selbst den menschlichen Körper: Zehnmilliarden Neutrinos fliegen pro Sekunde durch jeden Fingernagel. Damit sind Neutrinos das zweithäufigste Elementarteilchen im Universum und spielen zudem eine entscheidende Rolle bei der Energieproduktion der Sonne.

Aus neuen Erkenntnissen über diese Teilchen können Wissenschaftler einzigartige Informationen über Entstehungsprozesse von Galaxien und Explosionen von Riesensternen gewinnen. Denn obwohl die Neutrinos keinen Einfluss auf unser alltägliches Leben haben, könnten sie entscheidend an der Entstehung des Universums mitgewirkt haben. Selbst wenn ihre Masse noch so klein ist: durch ihre schiere Anzahl hätten die Neutrinos über Gravitationseffekte die Vergangenheit des Universums mitgeprägt.

Teilchen von Gewicht – aber wie viel?

Dass Neutrinos überhaupt eine Masse besitzen, ist bereits bekannt. Die Teilchenforscher Takaaki Kajita und Arthur McDonald erhielten für diese Entdeckung 2015 den Physik-Nobelpreis. Nun soll Katrin klären, wie schwer die Geisterteilchen tatsächlich sind.

Dabei machen sich die Forscher zu Nutze, dass die Neutrinos beim radioaktiven Zerfall des instabilen Wasserstoffisotops Tritium entstehen. Das Tritium wandelt sich bei diesem Prozess in einen Heliumkern um, wobei es ein Elektron und ein Neutrino (genauer: ein Elektron-Antineutrino) abspaltet.

Elektronenfänger Katrin

Neutrinos verwehren nahezu jeden Versuch, mit unseren Messmethoden erfasst zu werden. Deshalb untersuchen die Forscher stattdessen die Elektronen, die zusammen mit den Neutrinos beim Tritiumzerfall freigesetzt werden. Diese lassen sich über elektrische Felder in die Detektoren von Katrin lenken.

Doch wie können die Elektronen etwas über die Masse der Neutrinos verraten? Hier spielt die berühmte Gleichung E=mc² von Albert Einstein eine Rolle, die besagt, dass Energie in Masse umgewandelt werden kann und umgekehrt.

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