Was wiegen „Geisterteilchen“? Forschern gelingt die Messung

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Leicht, aber stark: Vor weniger als 100 Jahren vermuteten Physiker die Existenz sogenannter Neutrinos. Aber diese Elementarteilchen sind kaum messbar. Nun sind Gewichtsforscher noch einen Schritt weiter gegangen.

Karlsruhe – Einem internationalen Forscherteam ist mit Hilfe einer riesigen Tonnenwaage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein Erfolg in der Teilchenphysik gelungen.

Die Wissenschaftler wogen das leichteste bekannte Teilchen im Universum, das Neutrino. Die Maßeinheit dafür ist nicht Gramm, sondern Elektronenvolt (eV). Mit ihren Experimenten konnten die Experten 0,8 eV als Obergrenze für die Neutrinomasse bestimmen, wie sie im Fachblatt „Nature Physics“ berichten. Damit wurde die sogenannte 1 eV-Grenze durchbrochen. Experten feiern dies als großen Erfolg.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen und haben möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Universums gespielt. Sie werden unter anderem bei Kernfusionen in der Sonne freigesetzt und spielen eine Rolle beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen und Supernova-Explosionen im Weltraum. Außerdem sind sie überall, sie sind die häufigsten Elementarteilchen im Universum: Milliarden von ihnen strömen jede Sekunde durch nur einen Finger. Da sie kaum mit ihrer Umgebung interagieren, merkt man davon nichts. Selbst Planeten wie die Erde stoppen Neutrinos nicht.

Bisher fehlten Geräte zur Untersuchung von Neutrinos

Das macht es schwierig, sie zu erfassen. 1930 postulierte der österreichische Nobelpreisträger Wolfgang Pauli erstmals die Existenz von Teilchen. Hintergrund war, dass beim Zerfall von Atomkernen Messdaten für Neutronen und Elektronen nicht zum Energieerhaltungssatz der Physik passten – was oft fehlte.

Die Neutrinos wurden erst mehr als zwei Jahrzehnte später entdeckt und galten lange Zeit sogar als masselos. Wegen ungenauer Messgeräte war es bisher nicht möglich, viel mehr über Neutrinos zu sagen. Sie entziehen sich gewissermaßen der wissenschaftlichen Beobachtung und werden daher auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet.

Hier setzt das Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment, kurz „Katrin“, an: In der 70 Meter langen Anlage wird die Energieverteilung beim Zerfall von Tritium im Vakuum gemessen. Dies ist ein instabiles Wasserstoffisotop. Aus den Werten lässt sich die Masse der Neutrinos bestimmen. „Katrin“ wurde 2019 in Betrieb genommen. Im Laufe der Zeit machten die Forscher die Instrumente immer präziser. Das KIT spricht von der genauesten Waage der Welt. Außerdem musste jeder Einfluss auf die Neutrinomasse genau untersucht werden, um störende Effekte auf das Ergebnis auszuschließen.

Messungen der Neutrinomasse sollen bis 2025 verfeinert werden

„Die Teilchenphysik-Community ist begeistert, dass Katrin die 1-eV-Grenze durchbrochen hat“, zitierte das KIT den beteiligten Neutrino-Experten John Wilkerson von der University of North Carolina in einer Stellungnahme. Bis Ende 2024 sollen die Messungen der Neutrinomasse am KIT verfeinert werden, hieß es. Ein neues Detektorsystem soll dann ab 2025 bei der Suche nach sogenannten sterilen Neutrinos helfen. dpa