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Lüftet „Katrin“ das Geheimnis vom Gewicht der Geisterteilchen?

Neutrinos auf der Waage

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Neutrinos über Elektronengeschwindigkeit wiegen

Weil die Energie eines Heliumkerns geringer ist als die des Tritiums, muss die Energiedifferenz beim Tritiumzerfall irgendwie abgegeben werden. Dies geschieht wie beschrieben durch Freisetzen von einem Elektron und einem Neutrino. Zwar ist die Masse von zwei der drei Teilchen bekannt (Heliumkern und Elektron), dennoch lässt sich nicht einfach die Neutrinomasse berechnen. Denn die Energiedifferenz aus der Umwandlung des Tritiums wird nicht nur über die Massen von Elektron und Neutrino abgegeben, sondern auch über die Bewegungsenergie dieser Teilchen.

Die Forscher müssen also darauf setzen, dass bei ein paar wenigen der Zerfallsreaktionen das entstehende Neutrino nahezu bewegungslos ist. Etwa so wie eine Billardkugel, die nur leicht von einer anderen Kugel touchiert wurde. Die gesamte Bewegungsenergie muss dann dem Elektron zukommen. Mit Katrin ist es den Wissenschaftlern möglich, diese schnellen, energiereichen Elektronen einzufangen und sehr präzise zu messen. Was an Energie übrig bleibt, kann dann dank Einsteins E=mc² vollständig der Masse des Neutrinos zugeordnet werden.

Fünf Jahre laufende Radarfalle

Für das Experiment sind nur die schnellsten Elektronen mit der höchsten Bewegungsenergie interessant. Sie werden gezielt von Katrin herausgefiltert und detektiert. Wie empfindlich Katrins Filter funktioniert, verdeutlicht der folgende Vergleich, der in einer Broschüre des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY herausgegeben wurde:

„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.“

Nützliche Nebenprodukte der Neutrinoforschung

Insgesamt beteiligen sich über 150 Wissenschaftler aus 6 Ländern an der Neutrinowaage. Das Bundesforschungsministerium ist mit etwa 75 Prozent größter Geldgeber und investierte rund 50 Millionen Euro in den Bau von Katrin. Zusätzlich fördert das Bundesforschungsministerium im Rahmen der Verbundforschung Beiträge deutscher Universitäten zu dem Experiment.

Unter anderem sind auf diese Weise der weltweit größte Ultravakuumtank, ein besonders präzises Durchflussmessgerät für kalte Gase sowie die für das Experiment benötigte Messtechnik entstanden. Von dieser Hochtechnologie profitieren auch die Wirtschaft und Gesellschaft: Beispielsweise lässt sich die Technologie des Durchflussgeräts für künftige Wasserstofftankstellen für Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen.

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