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"Katrin" könnte unser Bild vom Universum verändern.
Eine Waage für Neutrinos
Die Masse von Neutrinos ist für die Teilchenphysik sehr wichtig
Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment - "Katrin" - wird eröffnet. Damit soll die Masse von Neutrinos gemessen werden.
Wie schwer sind Neutrinos? Diese unscheinbare Frage gehört zu den wichtigsten Fragestellungen in der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Genau diese Frage soll "Katrin", die präziseste Waage der Welt, beantworten. Nach 15 Jahren Bauzeit geht in Karlsruhe der europaweit einzigartige Apparat in Betrieb: eine 70 Meter lange Konstruktion, gebaut, um winzige Neutrinos zu jagen. Neutrinos sind die häufigsten Elementarteilchen im Universum. Sie kommen von der Sonne, aus dem All und auch aus Kernreaktoren. Die auch als Geisterteilchen bezeichneten Neutrinos sind überall - mehrere Milliarden von ihnen durchströmen in jeder Sekunde den Finger eines Menschen. Nach etwa fünf Jahren Messbetrieb erwarten die Forscher die genauen Messergebnisse.

Lange Zeit glaubte man, die elektrisch neutralen Elementarteilchen hätten keine Masse. Für den Nachweis, dass sie doch ein Gewicht haben, gab es 2015 den Physik-Nobelpreis. Mit "Katrin" wollen die Physiker nun genau bestimmen, wie schwer Neutrinos sind. Aktuell gehen die Wissenschaftler davon aus, dass ihre Masse über eine Milliarde Mal kleiner sein muss als die eines Wasserstoffatoms.

KATRIN, so sagen die beteiligten Wissenschaftler, soll Deutschland zum "Mekka der Neutrinoforschung" machen. Die Technologien, die dafür entwickelt wurden, sollen auch das gesamte Forschungsfeld der Teilchenphysik nach vorne bringen und auch für viele andere Bereiche der Grundlagenforschung neue Erkenntnisse bringen, etwa in der Materialanalyse oder Massenspektroskopie schwerer Biomoleküle.

Was passiert nun beim "Katrin"-Experiment?

© KIT Im November 2006 kam das Herzstück von „Katrin“, das Hauptspektrometer,  in Karlsruhe an.
Im November 2006 kam das Herzstück von „Katrin“, das Hauptspektrometer, in Karlsruhe an.
Nach Hauptspektrometer und Detektoreinheit ist mit der Tritiumquelle auch die letzte der Großkomponenten des Experimentes installiert. Erstmals werden nun durch den Beta-Zerfall von hochreinem Tritiumgas die Elektronen und Neutrinos erzeugt, deren Energieverhältnis von "Katrin" bestimmt werden soll. Ein großes Team an erfahrenen Physikern, Ingenieuren und Technikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sorgt dabei für den reibungsfreien Betrieb der zahlreichen Hochtechnologie-Bausteine bei "Katrin" und am Tritiumlabor Karlsruhe (TLK).

Wie können die Neutrinos gemessen werden?

Bei den später 100 Milliarden Beta-Zerfallsprozessen von molekularem Tritium pro Sekunde in der Tritiumquelle von "Katrin" entstehen jeweils ein Elektron und ein Neutrino, die sich die Zerfallsenergie von 18.600 Elektronenvolt teilen. In extrem seltenen Fällen geht das Neutrino dabei fast „leer aus“, und das Elektron erhält praktisch die gesamte Energie. Durch Einsteins berühmte Formel E=mc² wissen wir, dass das beim Zerfall nicht beobachtbare Neutrino mindestens seine Ruhemasse wegtragen muss, sodass die entsprechende Energie dem Elektron fehlt. Genau diesem winzigen Fehlbetrag von höchstens 0,2 Elektronenvolt (das entspricht der unvorstellbar geringen Masse von 3,6x10-37 Kilogramm) sind die "Katrin"-Forscher mit ihrer Neutrinowaage auf der Spur. Sie soll messen, welche maximale Energie die Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium erreichen. Gegenüber früheren Neutrinomassen-Experimenten verfügt "Katrin" über eine um einen Faktor 100 intensivere Quelle und stark verbesserte spektroskopische Eigenschaften. „"Katrin" ist ein Wunder der Technik“, schwärmt Professor Ernst Otten von der Universität Mainz, der frühere Messungen an einem Vorläuferexperiment in Mainz geleitet hat und der einer der Gründerväter von "Katrin" ist.

Ohne Tritiumquelle keine Messungen

Die Tritiumquelle besteht aus einem 16 Meter langen hochkomplexen Kryostaten, der wie alle anderen Komponenten der Quelle im Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) aufgebaut ist. Das TLK mit seiner weltweit einzigartigen Tritium-Infrastruktur gab den Ausschlag, dass "Katrin" am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) steht. Die Elektronen aus der Quelle werden über starke Magnete zum Herzstück von "Katrin" geleitet, dem riesigen elektrostatischen Spektrometer. Dieses wurde 2006 in einer aufsehenerregenden Reise vom Hersteller in Oberbayern auf dem Schiffsweg über die Donau, das Mittelmeer und dann rheinaufwärts zum KIT gebracht. Das Spektrometer ist seit mehreren Jahren der weltgrößte Ultrahochvakuum-Behälter: In seinem Inneren ist der Druck so niedrig wie an der Mondoberfläche. Ein System von aktiven und passiven Pumpsystemen sorgt dafür, dass kein Tritiummolekül von der Quelle ins Ultrahochvakuum des Spektrometers gelangt.

Glossar
Neutrinos
Jede Sekunde durchdringen uns Tausende von Neutrinos - geisterhafte Teilchen, die mit Materie kaum in Wechselwirkung treten.