Die Forschung bietet eine genauere Bestimmung der Neutrinomasse

Welche Masse hat ein ruhendes Neutrino? Dies ist eine der großen unbeantworteten Fragen der Physik. Neutrinos spielen in der Natur eine zentrale Rolle. Ein Team um Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, hat nun im Rahmen der internationalen ECHo-Kollaboration einen wichtigen Beitrag zum „Wiegen“ von Neutrinos geleistet. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturphysik.

Mit einer Penning-Falle hat es mit äußerster Präzision die Massenänderung eines Holmium-163-Isotops gemessen, wenn sein Kern ein Elektron einfängt und sich in Dysprosium-163 umwandelt. Daraus konnte der Q-Wert 50-mal genauer als zuvor ermittelt werden. Mithilfe eines genaueren Q-Wertes können mögliche systematische Fehler bei der Bestimmung der Neutrinomasse aufgedeckt werden.

In den 1930er Jahren stellte sich heraus, dass beim radioaktiven Betazerfall eines Atomkerns weder die Energie- noch die Impulsbilanz stimmt. Dies führte zum Postulat von „Geisterteilchen“, die „heimlich“ Energie und Impuls abtransportieren. Im Jahr 1956 gelang schließlich der experimentelle Nachweis solcher Neutrinos. Die Herausforderung: Neutrinos interagieren mit anderen Materieteilchen nur über die schwache Wechselwirkung, die auch dem Beta-Zerfall eines Atomkerns zugrunde liegt.

Aus diesem Grund können jede Sekunde Hunderte Billionen Neutrinos aus dem Kosmos, insbesondere der Sonne, durch unseren Körper passieren, ohne Schaden anzurichten. Extrem seltene Kollisionen von Neutrinos mit anderen Materieteilchen können nur mit riesigen Detektoren nachgewiesen werden.

Solare Neutrinos brachten eine weitere bahnbrechende Entdeckung: Die drei bisher bekannten Arten von Neutrinos können sich ineinander umwandeln. Allerdings hatten diese „Neutrino-Oszillationen“ schwerwiegende Folgen für das Weltbild der Teilchenphysik. Bisher ging man davon aus, dass Neutrinos wie Photonen keine Ruhemasse haben.

Dies wäre kompatibel mit dem Standardmodell der Teilchenphysik, der bisher besten Beschreibung der Teilchenwelt. Die Schwingungen erzwangen jedoch eine Ruhemasse für Neutrinos – ein weiterer Hinweis darauf, dass es eine neue Physik jenseits des Standardmodells geben muss.

Die Kenntnis der genauen Ruhemasse des Neutrinos wäre daher der Einstieg in die unbekannte Welt der neuen Physik. Leider kann man ein Neutrino nicht einfach auf eine Waage legen. Dafür sind äußerst aufwändige Experimente zu technisch zugänglichen physikalischen Prozessen unter Beteiligung von Neutrinos erforderlich.

„Ein Weg ist der Beta-Zerfall von Tritium“, erklärt Christoph Schweiger, Doktorand in der Abteilung von Klaus Blaum am Max-Planck-Institut für Kernphysik. Dabei zerfällt eines der beiden Neutronen im superschweren Wasserstoff in ein Proton und gibt ein Elektron und ein Neutrino ab, wodurch das Atom in leichteres Helium umgewandelt wird. „Abgewogen“ wird dieser Vorgang durch das KATRIN-Experiment am Karlsruher Institut für Technologie.

„Der komplementäre Weg ist der Elektroneneinfang des künstlichen Isotops Holmium-163“, so Schweiger weiter. Dabei fängt der Atomkern ein Elektron aus der inneren Elektronenhülle ein, wodurch ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird, wodurch das Element Dysprosium-163 entsteht. Dabei wird unter anderem auch ein Neutrino freigesetzt. Die internationale ECHo-Kollaboration, an der die Heidelberger Wissenschaftler beteiligt sind, versucht, diesen Zerfallsprozess mit äußerster Präzision energetisch zu messen.

Nach Einsteins E = mc2 sind Masse und Energie äquivalent, sodass das Messen von Energie mit dem Wiegen von Massen gleichgesetzt werden kann. Als „Kalorimeter“ misst ECHo äußerst genau die gesamte bei diesem Zerfall freigesetzte Energie: Diese entspricht maximal dem Q-Wert minus der Ruhemasse des freigesetzten Neutrinos. Dazu wird das Isotop Holmium-163 in eine Schicht aus Goldatomen eingebaut.

„Diese Goldatome könnten jedoch einen Einfluss auf Holmium-163 haben“, erklärt Schweiger. „Daher ist es wichtig, den Wert von Q mit einer alternativen Methode möglichst genau zu messen und mit dem kalorimetrisch ermittelten Wert zu vergleichen, um mögliche systematische Fehlerquellen aufzudecken.“

Hier kommen das Heidelberger Pentatrap-Experiment und Schweigers Doktorarbeit ins Spiel. Pentatrap besteht aus fünf Penning-Fallen. In diesen Fallen können elektrisch geladene Atome in einer Kombination aus statischem elektrischem und magnetischem Feld eingefangen werden.

Diese Ionen vollführen einen komplizierten „Kreistanz“, wodurch ihre Masse mit äußerster Präzision bestimmt werden kann. „Bei einem Airbus A-380 mit maximaler Beladung könnte man diese Empfindlichkeit nutzen, um festzustellen, ob ein einzelner Wassertropfen darauf gelandet ist“, verdeutlicht der Physiker die Leistungsfähigkeit dieser Superskala.

Im Prinzip funktioniert eine Penningfalle wie eine Schaukel. Setzt man zwei unterschiedlich schwere Kinder nebeneinander auf zwei gleichartige Schaukeln und drückt sie gleich stark an, so wird man nach und nach eine Verschiebung der Schaukelfrequenzen beobachten. Daraus lässt sich der Gewichtsunterschied zwischen den beiden Kindern berechnen.

Im Fall des Pentatrap-Experiments ist dies der Massenunterschied zwischen einem Holmium-163-Ion und einem Dysprosium-163-Ion. Zudem gilt: Je schneller beide Kinder schwingen, desto früher erhält man das Ergebnis, das bei gleicher Beobachtungszeit auch deutlich genauer ist als bei langsamem Schwingen.

Aus diesem Grund hat das Team den „hochgeladenen“ Ionen in drei verschiedenen Messreihen 38, 39 und 40 Elektronen entzogen, was ihren „Kreistanz“ deutlich schneller macht. „Wenn alles funktioniert, dauert eine Messung nur wenige Wochen“, sagt Schweiger.

Aus den Massenunterschieden aufgrund verschiedener Frequenzmessungen konnten die Heidelberger Wissenschaftler schließlich über E = mc2 einen Q-Wert für den Elektroneneinfang ermitteln, der 50-mal genauer ist als zuvor. „Der Beitrag der drei Theoriegruppen, darunter auch die Gruppe von Christoph Keitel hier am Institut, war ebenso wichtig wie unsere Messung“, betont Schweiger.

Neben dem Frequenzunterschied zwischen den beiden Ionen hat eine zweite Größe einen wesentlichen Einfluss auf den ermittelten Q-Wert: die im verbleibenden Elektronensystem eines hoch geladenen Ions gespeicherte Energie. Da es sich bei einem so großen Ion um ein Mehrteilchensystem handelt, war die Berechnung entsprechend aufwändig.

Es stellte sich heraus, dass die Berechnungen für die drei gemessenen Ladungszustände mit 38, 39 und 40 entfernten Elektronen fast genau die gleichen Q-Werte ergaben. Dadurch sei deutlich geworden, dass systematische Unsicherheiten in Experiment und Theorie ausgeschlossen werden könnten, betont Schweiger begeistert. Und was bedeutet das für die Neutrinomassen?

Die bisher genaueste Obergrenze der Neutrinomasse ermittelte KATRIN durch „Abwägen“ von 0,8 Elektronenvolt pro Lichtgeschwindigkeit im Quadrat, was unvorstellbaren 0,0000000000000000000000000000000000014 Kilogramm entspricht.

Diese Größenordnung von 10-36 entspricht in etwa dem Gewichtsverhältnis von vier Rosinen zur Sonne. Und das ist nur eine Obergrenze. Die Analyse der geschätzten Massenverteilung im Universum kommt sogar zu einer deutlich niedrigeren Obergrenze der Neutrinomassen von 0,12 Elektronenvolt pro Lichtgeschwindigkeit im Quadrat.

„Diese Analyse ist jedoch sehr komplex und hängt vom verwendeten kosmologischen Modell ab“, sagt Schweiger. Klar ist jedenfalls: Wer Neutrinos wiegen will, steht vor extremen Herausforderungen am Rande des technisch Machbaren. Vor diesem Hintergrund ist das Heidelberger Ergebnis ein großer Fortschritt auf dem Weg zur Lösung des Rätsels der Neutrinomassen.