Teilchenphysik: Forscher in Karlsruhe bestimmen Masse von Neutrinos

Neutrinos wurden gewogen und für sehr leicht befunden.

Artikel veröffentlicht am 16. Februar 2022, 10:44 Uhr, Werner Pluta/ dpa

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

Neutrinos sind flüchtige Teilchen: Sie bewegen sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit, gehen kaum eine Wechselwirkung mit Atomen ein und sie haben fast keine Masse. Aber eben nur fast: Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, die Masse des leichtesten bekannten Teilchens zu bestimmen.

Dazu haben die Forscher das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment, kurz Katrin, genutzt, eine Forschungsanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die 2019 in Betrieb genommene Anlage ist eine speziellen Waage für Neutrinos.

Mit ihren Experimenten konnten die Experten 0,8 Elektronenvolt (eV) als Obergrenze für die Neutrinomasse bestimmen. Das berichtet die Katrin-Kollaboration in der Fachzeitschrift Nature Physics. "Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von Katrin durchbrochen wurde", sagte John Wilkerson. Der Neutrinoexperte von der University of North Carolina ist Vorsitzender des Katrin-Executive-Boards.

Die Sonne setzt Neutrinos frei

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen und könnten eine wichtige Funktion bei der Bildung des Universums gehabt haben. Sie werden unter anderem bei Kernfusionen in der Sonne freigesetzt und spielen bei radioaktiven Zerfällen von Atomkernen sowie Supernova-Explosionen im Weltall eine Rolle.

Zudem sind Neutrinos überall. Sie sind die häufigsten Elementarteilchen im Universum: Allein durch einen Finger strömen jede Sekunde Milliarden von ihnen. Weil sie so gut wie nicht mit ihrer Umgebung wechselwirken, merkt man davon nichts. Auch Planeten wie die Erde stoppen Neutrinos nicht.

Das macht es schwer, sie zu erfassen. 1930 postulierte der österreichische Nobelpreisträger Wolfgang Pauli erstmals die Existenz der Teilchen. Hintergrund war, dass beim Zerfall von Atomkernen Messdaten für Neutronen und Elektronen nicht zum Grundsatz der Energieerhaltung in der Physik passten - ein bisschen was fehlte oft.

Nobelpreis für Neutrinofoschung

Erst mehr als zwei Jahrzehnte später wurden die Neutrinos dann nachgewiesen und galten lange sogar als masselos. 2001 wiesen jedoch Arthur McDonald und Takaaki Kajita nach, dass Neutrinos sich umwandeln. Das aber ist nur möglich, wenn Neutrinos eine Masse haben. Dafür erhielten die beiden 2015 den Nobelpreis für Physik.

Wegen ungenauer Messapparaturen konnte man bisher auch kaum mehr über Neutrinos sagen. Sie widersetzen sich gewissermaßen der wissenschaftlichen Beobachtung und werden daher auch Geisterteilchen genannt. Hier setzt Katrin an: In der 70 Meter langen Anlage wird im Vakuum die Energieverteilung beim Zerfall des Wasserstoff-Isotops Tritium gemessen. Aus den Werten lässt sich die Masse der Neutrinos bestimmen.