„Möglicherweise liefern sie einen Beitrag zur Dunklen Materie“

Welt der Physik: Worum handelt es sich bei dem Experiment KATRIN?

Kathrin Valerius

Kathrin Valerius: Der Name ist eine Abkürzung für „Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“. Es ist die weltweit führende Anlage, um die Neutrinomasse direkt zu untersuchen. Im Standardmodell der Teilchenphysik sind ja alle Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschrieben. Dazu gehören auch die Neutrinos. Doch im Gegensatz zu den anderen Elementarteilchen – wie zum Beispiel Elektronen – ist die Masse von Neutrinos noch unbekannt. Wir wissen nur, dass ihre Masse sehr klein, jedoch nicht Null ist. Mit Präzisionsexperimenten wie KATRIN ist es bereits gelungen, die Neutrinomasse einzugrenzen. Aber noch können wir sie nicht exakt angeben.

Wie wird an KATRIN die Neutrinomasse untersucht?

Wir untersuchen den sogenannten Betazerfall von Tritium. Das ist ein überschweres Isotop von Wasserstoff, das in Helium zerfallen kann und dabei neben einem Elektron auch ein Neutrino freisetzt – strenggenommen ein Antineutrino, also ein Antiteilchen. Auch Neutrinos haben Antiteilchen, so wie Positronen die Antiteilchen der Elektronen sind. Die freigesetzten Neutrinos brauchen wir gar nicht nachzuweisen – denn da sie extrem selten mit anderen Teilchen wechselwirken, strömen sie in unserem Experiment einfach davon. Stattdessen schauen wir uns sehr genau das Energiespektrum der freigesetzten Elektronen an. Denn beim Betazerfall wird ein Teil der Gesamtenergie auf das Neutrino übertragen und der Rest geht auf das Elektron über. Indem wir bei vielen Millionen Tritium-Zerfällen die Elektronenergien sehr genau vermessen, können wir nun Rückschlüsse auf die Neutrinos, und insbesondere ihre Masse, ziehen.

Nun haben Sie aber auch den möglichen Massenbereich einer anderen, hypothetischen Neutrinoart untersucht?

Ja, das ist ein zusätzliches Forschungsergebnis, für das KATRIN eigentlich gar nicht konzipiert worden ist! Aber die Daten sind so präzise, dass wir auch für diese sogenannten „sterilen Neutrinos“ neue Ergebnisse erzielt haben.

Was sind das für Teilchen und warum nennt man sie „steril“?

Es gibt drei bekannte Arten von Neutrinos und bei den sterilen Neutrinos handelt es sich um bislang noch völlig hypothetische Teilchen, für die es noch keinen experimentellen Nachweis gibt. Aber laut verschiedenen Theorien könnte es eine oder sogar mehrere weitere Neutrinoarten geben, die sich von den drei bekannten dadurch unterscheiden, dass sie gar keine Wechselwirkung mit normaler Materie eingehen – nicht einmal eine derart schwache wie normale Neutrinos. Neutrinos werden ja manchmal „Geisterteilchen“ genannt, weil sie nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit mit Materie wechselwirken und dadurch etwa unseren Planeten ungestört durchqueren können. Sterile Neutrinos sind noch „unsichtbarer“, sie sind sozusagen besonders geisterhafte Geisterteilchen.

Aber wie könnte man solche Teilchen dann überhaupt nachweisen?

Ein direkter Nachweis über die schwache Wechselwirkung, wie bei gewöhnlichen Neutrinos, ist physikalisch ausgeschlossen. Sterile Neutrinos können jedoch über sogenannte Neutrinooszillationen indirekt in Erscheinung treten. Denn die drei bekannten Neutrinosorten – also die Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – können sich im Flug ineinander umwandeln. Sterile Neutrinos können an diesem Oszillationsprozess teilhaben und als zusätzliche Oszillationspartner dienen. Nach einem Wandel in eine der drei bekannten Arten, könnten sie dann doch mit normaler Materie in Wechselwirkung treten. Die Neutrinooszillation hatte übrigens vor einigen Jahrzehnten zu einem großen Rätsel geführt, als man die Neutrinos aus der Sonne untersuchte.

Elementarteilchen des Standardmodells

Was war das für ein Rätsel?

Man hat damals deutlich weniger Sonnenneutrinos gemessen als erwartet. Die Lösung lag darin, dass sich die Elektron-Neutrinos, die in der Sonne entstehen, auf dem Weg zur Erde teilweise in andere Neutrinoarten umgewandelt haben. Für den Nachweis dieser Neutrinooszillationen wurde im Jahr 2015 der Physik-Nobelpreis verliehen. Dann haben eine Reihe von Experimenten ungewöhnliche Oszillationseffekte gemessen, die nicht recht zum Standardbild der drei bekannten Neutrinos passen. Das hat manche Forschende dazu motiviert, eine neue Neutrinoart – nämlich die sterilen Neutrinos – zu postulieren.

Die sterilen Neutrinos lassen sich also nur über die Neutrinooszillation nachweisen?

Genau, und das versuchen wir und auch mehrere andere Forschungsgruppen weltweit. Sterile Neutrinos sollten sich konkret bei KATRIN dadurch bemerkbar machen, dass im Energiespektrum der Elektronen ein Knick auftritt. Einen solchen Knick beobachten wir jedoch bislang nicht. Aber auch daraus können wir einiges lernen. So haben wir für unsere neueste Analyse die Daten von rund 36 Millionen Tritium-Zerfällen über einen Zeitraum von 259 Tagen untersucht. Das Ausbleiben eines Knicks im gemessenen Energiespektrum erlaubt es uns, strenge Grenzen für sterile Neutrinos im untersuchten Massenbereich zu setzen. Insbesondere bedeutet dies, dass sterile Neutrinos – sollten sie existieren – nicht zugleich leicht und stark genug sein können, um mit den bekannten Neutrinos gekoppelt zu sein. Unsere Ergebnisse stehen auch im Einklang mit denen anderer Experimente wie MicroBooNE, die nun ebenfalls publiziert worden sind. Dass unabhängige Experimente mit sehr unterschiedlichen Methoden miteinander übereinstimmen, stärkt unser Vertrauen in die jeweiligen Messungen und Analysen.

Auch die Dunkle Materie im All wechselwirkt ja kaum mit normaler Materie. Könnten sterile Neutrinos einen Teil der Dunklen Materie ausmachen?

Auch das ist eine mögliche, bislang jedoch rein hypothetische Erklärung. Damit sterile Neutrinos einen relevanten Beitrag zur Dunklen Materie liefern könnten, müssten sie relativ massereich und gleichzeitig sehr schwach an die bekannten Neutrinos gekoppelt sein. Die gegenwärtigen Experimente – darunter KATRIN – können vor allem leichtere sterile Neutrinos ausschließen. Künftig wird KATRIN mit weiteren Verbesserungen des Experiments und mit mehr Daten den untersuchten Massenbereich deutlich nach oben erweitern können. Wir sind sehr gespannt, ob sich dabei Hinweise auf solche Teilchen zeigen. Aber auch ein Negativergebnis wäre wertvoll, weil es wichtige Einschränkungen für theoretische Modelle liefert und die Richtung für künftige Experimente vorgibt.