Die Vermessung von Neutrinos

Unter allen Elementarteilchen, die wir im Universum kennen – darunter Protonen und Elektronen, Quarks, Higgs-Bosonen, geladene Leptonen und Neutrinos – sind Neutrinos die leichtesten. Ihr tatsächliches Gewicht ist für die Forschung sehr interessant. Um dieses zu ermitteln, hat ein internationales Wissenschaftlerteam in Süddeutschland eine gigantische Versuchsanlage aufgebaut, an der nun die Messungen des Neutrino-Gewichts beginnen.

Am KIT (Karlsruher Institut für Technologie) misst jetzt die nach Angaben ihrer Entwickler “genaueste Waage der Welt” das Gewicht von Neutrinos. Ihre Bauzeit betrug 15 Jahre, die Neutrino-Waage trägt den liebevollen Namen „Katrin“, der allerdings ein Akronym für „Karlsruhe Tritium-Neutrino Experiment“ ist. Natürlich ist es keine echte Waage nach landläufigen Vorstellungen, sondern eine hochkomplexe technische Apparatur, die mithilfe von Ladungs- und Schwingungsmessungen dabei helfen soll, das Gewicht der Neutrinos als leichteste Elementarteilchen zu bestimmen. Es handelt sich bei ihnen um echte Geisterteilchen, die Wissenschaftler nennen sie auch so. Sie sind überall, in jeder Sekunde strömen allein mehrere Milliarden Neutrinos durch einen menschlichen Finger, durch einen Stift auf dem Schreibtisch oder durch eine Fensterscheibe. Die Physiker sind von dem Phänomen dieser Elementarteilchen, die ab den 1930er Jahren zunächst theoretisch vermutet wurden, äußerst fasziniert. Ihre Erforschung soll neue Erkenntnisse zur Entstehungsgeschichte des Alls bringen. Dementsprechend äußerte sich bei der Einweihungsfeier auch der deutsche Physiker Johannes Blümer, der am KIT den Forschungsbereich um das Projekt “Katrin” leitet. Die Messung des Gewichts von Neutrinos sei “für das Universum ein großer Tag”, so Blümer. Man werde nun einen seiner Hauptbestandteile vermessen. Das stimmt: Neutrinos sind nicht nur die leichtesten, sondern wahrscheinlich auch die häufigsten Elementarteilchen. Der Versuchsaufbau zur Neutrinomessung mit Katrin kostet 60 Millionen Euro, beteiligt sind etwa 200 Forscher aus sieben Ländern, die von 20 Institutionen entsandt wurden. Das Interesse am Neutrino-Gewicht ist riesig.

Beim mit Katrin durchgeführten Experiment lassen die Wissenschaftler das Wasserstoff-Spurenisotop Tritium zerfallen. Dabei entstehen Elektronen und Neutrinos. Für die Beobachtung der kleinsten Teilchen ist eine vergleichsweise riesige Anlage erforderlich. Um nämlich Neutrinos überhaupt beobachten zu können, ist ein Vakuum ähnlich wie in der Leere des Weltalls erforderlich. Daher baute das Karlsruher Institut einen Vakuumtank mit etwa zehn Metern Durchmesser auf, der 200 Tonnen wiegt. In ihm können sie einen Unterdruck erzeugen, der den Druckverhältnissen auf dem Mond ähnelt, also einem mehr oder weniger “absoluten” Vakuum (das es nur theoretisch gibt). Das erläuterte der KIT-Forscher Florian Heizmann den anwesenden Wissenschaftsjournalisten. Neben der gigantischen Technik brauchen die Forscher auch Geduld: Die genauesten Messergebnisse wird es erst nach rund fünf Jahren Messbetrieb geben, auch wenn sofort irgendetwas gemessen werden kann. Das liegt am jahrelangen Zerfall von Tritium, dessen komplette Halbwertszeit bei 12,5 Jahren liegt. Es geht bei diesem Experiment um reine Grundlagenforschung, man will das Neutrino-Gewicht einfach wissen. Genaue Rückschlüsse oder gar praktische Anwendungsfälle fallen den Wissenschaftlern bislang nicht ein. Doch das war bei der Entdeckung der Kernspaltung auch nicht anders, so Florian Heizmann. Die damaligen Forscher konnten sich anfangs weder eine Atombombe noch Atomkraftwerke vorstellen.