Ein internationales Forschungsteam, das am „Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“ (KATRIN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeitet, hat einen bedeutenden Fortschritt in der Teilchenphysik erzielt. KATRIN setzt neue Maßstäbe in der Messung der Neutrinomasse und hat in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht, dass die Neutrinomasse höchstens 0,45 Elektronenvolt (eV) betragen kann, was 8 x 10-37 Kilogramm entspricht. Diese Ergebnisse markiert einen neuen Weltrekord in der exakten Bestimmung der Neutrinomasse, die in der Kosmologie und Teilchenphysik eine zentrale Rolle spielt.
Neutrinos sind elektrisch neutrale Teilchen, die in drei verschiedenen Arten existieren: als Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Ihre genaue Masse bleibt eines der großen Rätsel der modernen Physik. Über die Neutrinos hinaus hat die Forschung gezeigt, dass sie in der Lage sind, zwischen diesen Arten durch einen Prozess namens Neutrino-Oszillation zu wechseln. Dies steht im Widerspruch zu dem früheren Modell der masselosen Neutrinos im Standardmodell der Teilchenphysik.
Fortschritt durch präzise Messmethoden
Die KATRIN-Kollaboration, zu der auch Christian Weinheimer von der Universität Münster gehörte, hat durch verbesserte Datensammlung und reduzierte systematische Unsicherheiten die Obergrenze für die Neutrinomasse weiter gesenkt. Vorangegangene Messungen wurden damit fast um den Faktor zwei übertroffen. Das Experiment hat über einen Zeitraum von 1000 Tagen Daten gesammelt, konkret in fünf Messkampagnen mit etwa 259 Mess-Tagen zwischen 2019 und 2021, um die Energieverteilung der bei der Beta-Zerfall von Tritium ausgestoßenen Elektronen zu analysieren, was entscheidend für die Bestimmung der Neutrinomasse ist. Diese Messung ergab einen maximalen Effekt der Elektron-Neutrino-Masse von < 0,45 eV mit hoher Genauigkeit von 90%.
Ein besonderes Highlight der KATRIN-Experimente ist die Nutzung modernster Analyse- und Messmethoden, einschließlich Künstlicher Intelligenz, um die Empfindlichkeit der Experimente zu erhöhen. Das Team hat etwa 36 Millionen Elektronen untersucht, was die Größe des Datensatzes im Vergleich zu früheren Experimenten um das Sechsfache vergrößert.
Zukunftsausblick auf Neutrinoforschung
Die umfassenden Messungen zur Neutrinomasse werden bis Ende 2025 fortgesetzt. Nach so umfangreichen Verfahren wird ein neues Detektorsystem, genannt TRISTAN, installiert, um nach hypothetischen sterilen Neutrinos zu suchen. Außerdem plant KATRIN ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm mit dem Titel KATRIN++, um Konzepte für zukünftige Experimente zur Neutrinomasse zu entwickeln.
Die Erkenntnisse aus den KATRIN-Messungen sind von grundlegender Bedeutung, da sie wichtige Implikationen für unseren aktuellen Wissensstand über das Universum und die fundamentalen Naturgesetze haben. Wissenschaftler von mehr als 20 Institutionen aus sieben Ländern sind an diesem bedeutsamen Projekt beteiligt und arbeiten zusammen, um die Geheimnisse der Neutrinos weiter zu entschlüsseln.
