Forscher kommen dem schwer fassbaren Neutrino näher

Das bescheidene Neutrino, ein schwer fassbares subatomares Teilchen, das mühelos normale Materie durchdringt, spielt unter den Teilchen, aus denen unser Universum besteht, eine übergroße Rolle. Um vollständig zu erklären, wie unser Universum entstanden ist, müssen wir seine Masse kennen. Aber wie so viele von uns vermeidet es, gewogen zu werden.

Jetzt berichtet ein internationales Forscherteam aus den Vereinigten Staaten und Deutschland, das ein ehrgeiziges Projekt namens Projekt 8 leitet, dass ihre einzigartige Strategie ein realistischer Anwärter darauf ist, als erste die Neutrinomasse zu messen. Sobald Projekt 8 vollständig ausgeweitet ist, könnte es dabei helfen, aufzudecken, wie Neutrinos die frühe Entwicklung des Universums, wie wir es kennen, beeinflusst haben.

Im Jahr 2022 legte das KATRIN-Forschungsteam eine Obergrenze dafür fest, wie schwer das Neutrino möglicherweise sein könnte. Dieser Meilenstein war eine Meisterleistung, die über Jahrzehnte hinweg erarbeitet wurde. Aber diese Ergebnisse verengen lediglich das Suchfenster. KATRIN wird bald seine angestrebten Nachweisgrenzen erreichen und vielleicht eines Tages sogar überschreiten, aber das federleichte Neutrino könnte noch leichter sein, was die Frage aufwirft: „Was kommt als nächstes?“

In ihrer neuesten Studie hat das Team von Project 8 Berichte in Briefe zur körperlichen Untersuchung dass sie eine brandneue Technik verwenden können, um ein natürliches Ereignis namens Beta-Zerfall zuverlässig zu verfolgen und aufzuzeichnen. Bei jedem Ereignis wird eine winzige Energiemenge freigesetzt, wenn eine seltene radioaktive Variante von Wasserstoff – Tritium genannt – in die drei subatomaren Teilchen zerfällt: ein Heliumion, ein Elektron und ein Neutrino.

Der ultimative Erfolg von Projekt 8 hängt von einem ehrgeizigen Plan ab. Anstatt zu versuchen, das Neutrino nachzuweisen, das die meisten Detektortechnologien mühelos durchdringt, hat das Forschungsteam stattdessen eine einfache Messstrategie verfolgt, die sich wie folgt zusammenfassen lässt:

Dank Einstein wissen wir, dass die Gesamtmasse eines Tritiumatoms der Energie seiner Teile entspricht. Wenn wir ein durch Betazerfall erzeugtes freies Elektron messen und die Gesamtmasse kennen, ist die „fehlende“ Energie die Masse und Bewegung des Neutrinos.

„Grundsätzlich haben wir mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Skalierung eine realistische Chance, in den Bereich zu gelangen, der zur Bestimmung der Neutrinomasse erforderlich ist“, sagte Brent VanDevender, einer der Hauptforscher von Projekt 8 am Pacific Northwest National des Energieministeriums Labor.

Warum Projekt 8?

Diese Forscher entschieden sich für eine ehrgeizige Strategie, weil sie die Vor- und Nachteile durchgegangen waren und zu dem Schluss kamen, dass sie funktionieren könnte.

Talia Weiss ist Doktorandin der Kernphysik an der Yale University. Sie und ihre Kollegen aus Projekt 8 haben Jahre damit verbracht, herauszufinden, wie man die Elektronensignale genau aus dem elektronischen Hintergrundrauschen herausfiltern kann. Christine Claessens ist Postdoktorandin an der University of Washington und hat ihren Ph.D. erworben. am Projekt 8 an der Universität Mainz, Deutschland. Weiss und Claessens führten die beiden Abschlussanalysen durch, die erstmals Grenzen für die aus der neuen Technik abgeleitete Neutrinomasse setzten.

„Das Neutrino ist unglaublich leicht“, sagte Weiss. „Es ist mehr als 500.000 Mal leichter als ein Elektron. Wenn also Neutrinos und Elektronen gleichzeitig erzeugt werden, hat die Neutrinomasse nur einen winzigen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Wir wollen diesen kleinen Effekt sehen. Also brauchen wir eine.“ superpräzise Methode, um zu messen, wie schnell die Elektronen umherfliegen.“

Projekt 8 basiert auf einer solchen Technik, die vor über einem Jahrzehnt von den Physikern Joe Formaggio und Ben Monreal entwickelt wurde, die damals am Massachusetts Institute of Technology arbeiteten. Ein internationales Team schloss sich der Idee an und gründete Project 8, um die Vision in ein praktisches Werkzeug umzusetzen. Die daraus resultierende Methode heißt Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy (CRES).

Es fängt die Mikrowellenstrahlung ein, die von neugeborenen Elektronen abgegeben wird, wenn sie sich in einem Magnetfeld drehen. Diese Elektronen transportieren den größten Teil – aber nicht die gesamte – Energie ab, die bei einem Betazerfall freigesetzt wird. Es ist diese fehlende Energie, die die Neutrinomasse offenbaren kann. Dies ist das erste Mal, dass mit der CRES-Technik Tritium-Beta-Zerfälle gemessen und eine Obergrenze für die Neutrinomasse festgelegt wurden.

Das Team ist nur daran interessiert, diese Elektronen zu verfolgen, da ihre Energie der Schlüssel zur Entdeckung der Neutrinomasse ist. Während diese Strategie bereits früher verwendet wurde, misst der CRES-Detektor diese entscheidende Elektronenenergie und hat das Potenzial, über jede vorhandene Technologie hinaus zu skalieren. Und diese Skalierbarkeit zeichnet Project 8 aus. Elise Novitski ist Assistenzprofessorin an der University of Washington und hat viele Aspekte der neu veröffentlichten Arbeit geleitet.

„Niemand sonst macht das“, sagte Novitski. „Wir nehmen keine bestehende Technik und versuchen, sie ein wenig zu optimieren. Wir sind sozusagen im Wilden Westen.“

In ihrem jüngsten Experiment, das an der University of Washington in Seattle durchgeführt wurde, verfolgte das Team 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignisse über einen 82-tägigen Versuchszeitraum in einer Probenzelle von der Größe einer einzelnen Erbse. Die Probenzelle wird kryogen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen lange genug einfängt, damit die Aufzeichnungsantennen des Systems ein Mikrowellensignal registrieren können.

Entscheidend war, dass das Team keine falschen Signale oder Hintergrundereignisse registrierte, die mit der Realität verwechselt werden könnten. Das ist wichtig, da selbst ein sehr kleiner Hintergrund das Signal der Neutrinomasse verdecken kann, was die Interpretation des Nutzsignals erschwert.

Vom Zwitschern bis zum Signal

Eine Untergruppe von Projekt-8-Forschern unter der Leitung des PNNL-Experimentalphysikers Noah Oblath, an der aber auch ein Dutzend andere aus mehreren Institutionen beteiligt waren, hat außerdem eine Reihe spezieller Software entwickelt – jede wunderbar nach verschiedenen Insekten benannt –, um die Rohdaten zu erfassen und in Signale umzuwandeln das kann analysiert werden. Und Projektingenieure haben ihre Tüftlerhüte aufgesetzt, um die verschiedenen Teile zu erfinden, aus denen Projekt 8 besteht.

„Wir haben Ingenieure, die für die Bemühungen von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Novitski. „Aus der Sicht eines Ingenieurs ist es irgendwie da draußen. Die Experimentalphysik liegt sozusagen an der Grenze zwischen Physik und Technik. Man muss besonders abenteuerlustige Ingenieure und praktisch denkende Physiker dazu bringen, zusammenzuarbeiten, um diese Dinge entstehen zu lassen, weil diese Dinge.“ steht nicht in den Lehrbüchern.“

Erreichen der Ziellinie

Nachdem das Team nun gezeigt hat, dass sein Design und sein experimentelles System mit Tritiummolekülen funktionieren, steht eine weitere dringende Aufgabe vor ihm. Ein Teil des gesamten Teams arbeitet derzeit am nächsten Schritt: einem System, das einzelne Tritiumatome produziert, kühlt und einfängt. Dieser Schritt ist schwierig, da Tritium wie sein häufiger vorkommender Cousin Wasserstoff die Bildung von Molekülen bevorzugt. Diese Moleküle würden die ultimativen Ziele des Projekt-8-Teams unerreichbar machen. Die Forscher unter der Leitung von Physikern der Universität Mainz entwickeln einen Prüfstand, um atomares Tritium zu erzeugen und mit komplizierten Magnetanordnungen einzufangen, die verhindern, dass es die Wände der Probenzelle berührt – wo es mit ziemlicher Sicherheit wieder in molekulares umgewandelt wird bilden.

Dieser technologische Fortschritt und die Vergrößerung des gesamten Geräts werden die entscheidenden Schritte sein, um die vom KATRIN-Team erreichte Empfindlichkeit zu erreichen und letztendlich zu übertreffen.

Derzeit arbeitet das Forschungsteam, dem beitragende Mitglieder aus zehn Forschungseinrichtungen angehören, an Testdesigns, um das Experiment von der erbsengroßen Probenkammer auf eine tausendmal größere zu erweitern. Die Idee dabei ist, viel mehr Beta-Zerfallsereignisse mit einem größeren Abhörgerät zu erfassen – von der Größe einer Erbse bis hin zu einem Wasserball.

„Projekt 8 ist nicht nur ein größeres und besseres CRES-Experiment, es ist auch das erste CRES-Experiment und das allererste, das diese Nachweistechnik überhaupt verwendet hat“, sagte Oblath. „Das wurde noch nie zuvor durchgeführt. Die meisten Experimente haben eine 50- oder 100-jährige Geschichte, zumindest was die verwendete Nachweistechnik betrifft, während dies wirklich brandneu ist.“