Katrin: KIT nimmt Neutrinowaage in Betrieb

Lange dachten Forscher, Neutrinos hätten keine Masse. Doch 2011 wiesen zwei Physiker nach, dass sie doch eine haben, und erhielten dafür den Nobelpreis. Mit einer neuen Forschungsanlage am KIT wollen Forschung die Masse der Elementarteilchen bestimmen.

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Forschungsanlage Katrin: Neutrinos durchdringen Materie meist spurlos.
Forschungsanlage Katrin: Neutrinos durchdringen Materie meist spurlos. (Bild: KIT)

Sie sind kaum zu fassen: Neutrinos gehen fast nie eine Wechselwirkung mit Atomen ein, weshalb sie die Erde meist spurlos durchdringen. Dennoch interessieren sich Forscher sehr für diese Teilchen, die auch Geisterteilchen genannt werden. Mit der am heutigen Montag eingeweihten Forschungsanlage Katrin wollen sie mehr über sie erfahren.

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Katrin ist die Abkürzung für Karlsruher Tritium Neutrino Experiment. Die Forschungsanlage, die am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) steht, ist eine Waage, mit der Forscher das Gewicht der Neutrinos bestimmen wollen. Das soll wichtige Erkenntnisse für die Teilchenphysik und die Kosmologie bringen.

In der Anlage wird der Beta-Zerfall des Wasserstoffisotops Tritium in ein leichteres Heliumisotop untersucht, bei dem ein Elektron und ein Neutrino freigesetzt werden. Die Zerfallsenergie verteilt sich dabei auf beide Teilchen. Den größten Teil davon hat das Elektron - aber eben nicht alles. Für diese Differenz interessieren sich die Forscher, denn die macht die Masse des Neutrinos aus.

Elektronen sind nach den Neutrinos die leichtesten Partikel und haben eine Masse von etwa einer halben Million Elektronenvolt. Die Masse der Neutrinos, von denen drei Varianten bekannt sind, liegt im Bereich zwischen 0,01 und 1 Elektronenvolt.

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Nach dem Standardmodell der Physik haben Neutrinos keine Masse. Allerdings wiesen Arthur McDonald und Takaaki Kajita 2001 nach, dass Neutrinos sich umwandeln. Das aber ist nur möglich, wenn Neutrinos eine Masse haben. Dafür erhielten die beiden 2015 den Nobelpreis für Physik. "Katrin wird auf den bahnbrechenden Untersuchungen von McDonald und Kajita aufbauen und dabei andere physikalischen Prinzipien und experimentelle Methoden benutzen, um die Masse des Neutrinos modellunabhängig zu bestimmen", sagt Guido Drexlin, Co-Sprecher der Katrin-Kollaboration.

Woher haben die Neutrinos ihre Masse?

Unklar ist zudem, woher die Neutrinos ihre Masse haben. Andere Elementarteilchen haben sie durch den Higgs-Mechanismus. Der wirkt aber wohl nicht bei den Neutrinos. Es muss also eine andere Erklärung geben. Erste Ansätze dafür gibt es. Zu wissen, welche Masse die Neutrinos haben, könnte helfen, diese zu bestätigen oder zu verwerfen. Neben Teilchenphysikern interessieren sich auch Kosmologen für die Neutrinos und erhoffen sich durch die Bestimmung von deren Masse neue Erkenntnisse über das Weltall.

Katrin ist, wie bei solchen Forschungsanlagen üblich, eine Kooperation von 20 Institutionen. Der Bau der Anlage dauerte rund 15 Jahre. Das Bundesforschungsministerium hat rund 75 Prozent der Baukosten aufgebracht.

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