Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 7. September 2023.

7. September 2023 – Neutrinos sind allgegenwärtige Elementarteilchen, die nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. Deshalb durchdringen sie diese meist ungehindert und werden daher auch Geisterteilchen genannt. Nichtsdestotrotz spielen Neutrinos eine überragende Rolle im frühen Universum. Um vollständig erklären zu können, wie sich unser Universum entwickelt hat, müssen wir vor allem ihre Masse kennen. Doch bisher ist es nicht gelungen, diese Masse zu bestimmen.

Das möchte die internationale Project 8 Kollaboration mit ihrem neuen Experiment jetzt ändern. Project 8 setzt erstmals auf eine völlig neue Technologie zur Bestimmung der Neutrinomasse, die sogenannte „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ – kurz CRES. In einer aktuellen Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters konnte die Project 8 Kollaboration jetzt zeigen, dass die CRES-Methode tatsächlich dazu geeignet ist, die Neutrinomasse zu bestimmen und hat dabei in einer ersten Messung bereits eine obere Grenze für diese fundamentale Größe gesetzt – ein wichtiger Meilenstein ist damit erreicht. Von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sind die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martin Fertl und Prof. Dr. Sebastian Böser beteiligt, beide Forscher am Exzellenzcluster PRISMA+. Dr. Christine Claessens, ehemalige Doktorandin von Sebastian Böser und nun Postdoc an der University of Washington in Seattle (USA), hat im Rahmen ihrer Doktorarbeit einen entscheidenden Beitrag zu der aktuellen Veröffentlichung geleistet.

Elektronen als Schlüssel zur Neutrinomasse
Das Project 8 Experiment nutzt den Beta-Zerfall von radioaktivem Tritium, um der Neutrinomasse auf die Spur zu kommen. Tritium ist ein schwerer Verwandter des Wasserstoffs, ein sogenanntes Isotop. Es ist instabil und besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Durch Umwandlung eines dieser Neutronen in ein Proton zerfällt Tritium zu Helium und sendet dabei ein Elektron und ein Antineutrino aus. „Und nun kommt der Clou“, sagt Martin Fertl. „Da Neutrinos und ihre Antiteilchen keine elektrische Ladung haben, sind sie sehr schwer nachzuweisen. Wir versuchen daher erst gar nicht, sie aufzuspüren. Stattdessen messen wir die Energie der entstehenden Elektronen über ihre Umlauffrequenz in einem Magnetfeld. Anhand der Form des Energiespektrums der Elektronen bestimmen wir dann die Neutrinomasse bzw. setzen so eine Obergrenze für diese Masse.“

Sehr präzise Messung der Elektronenenergie ist nötig
Um belastbare Ergebnisse zu erhalten, muss die Energie der Elektronen extrem präzise gemessen werden. Denn das entstehende (Anti)Neutrino ist unglaublich leicht, mindestens 500.000 Mal leichter als ein Elektron. „Wenn Neutrinos und Elektronen gleichzeitig erzeugt werden, hat die Neutrinomasse nur einen winzigen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Und diesen kleinen Effekt wollen wir sehen“, erläutert Sebastian Böser. Die Methode, die das möglich macht, heißt „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ (CRES). Mit ihr wird die Mikrowellenstrahlung registriert, die von den entstehenden Elektronen ausgesandt wird, wenn sie in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Die Frequenz der emittierten Strahlung lässt sich extrem präzise bestimmen und dann über die Elektronenenergie auf die Masse des Neutrinos rückschließen.

Damit das funktioniert hat Christine Claessens einen entscheidenden experimentellen Beitrag geleistet: „Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich unter anderem ein Ereignis-Detektionssystem, bestehend aus einem Echtzeit-Trigger und einer Offline-Ereignisrekonstruktion, entwickelt. Dieses System sucht in dem kontinuierlich digitalisierten und verarbeiteten Hochfrequenzsignal nach den charakteristischen CRES-Merkmalen. Die Rekonstruktion der Startfrequenz jedes Elektronenereignisses ermöglicht die hochpräzise Aufnahme eines Tritium-Zerfallsspektrums.“ Auf dieser Grundlage gelang Christine Claessens die Analyse des ersten mit CRES aufgenommenen Tritium-Spektrums im Hinblick auf systematische Unsicherheiten – und somit die Berechnung einer ersten Obergrenze für die Neutrinomasse mit dieser neuen Technologie, die nun Eingang in die neueste Publikation gefunden hat.

Dort berichtet die Project 8 Kollaboration konkret von 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignissen, welche sie über einen Zeitraum von 82 Tagen in einer Probenzelle von der Größe einer einzelnen Erbse registriert hat. Die Probenzelle wird auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen so lange auf einer Kreisbahn laufen lässt, dass die Detektoren ein Mikrowellensignal registrieren können. Entscheidend ist, dass keine falschen Signale oder Hintergrundereignisse registriert werden, die mit dem „echten Signal“ verwechselt werden könnten oder dieses überdecken. „Die daraus resultierende erstmalige Bestimmung der Obergrenze für die Neutrinomasse mit einer rein frequenzbasierten Messtechnik ist ein sehr vielversprechendes Resultat, da wir Frequenzen heutzutage sehr genau messen können“, so das Fazit von Sebastian Böser und Martin Fertl.

Nächste Schritte sind schon in Angriff genommen
Nach dem erfolgreichen „Proof of Principle“ steht der nächste Schritt an: Für das finale Experiment brauchen die Forschenden einzelne Tritiumatome – welche sie aus der Spaltung von Tritium-Molekülen erzeugen. Das ist knifflig, da Tritium, genau wie Wasserstoff, bevorzugt Moleküle bildet. Die Entwicklung einer solchen Quelle – zunächst für atomaren Wasserstoff und später für atomares Tritium – ist ein wichtiger Beitrag des Mainzer Teams.

Im Moment arbeitet die Project 8 Kollaboration, an der Mitglieder aus zehn Forschungseinrichtungen weltweit beteiligt sind, an der Erprobung von Entwürfen für die Vergrößerung des Experiments von einer erbsengroßen Probenkammer auf eine tausendmal größere. So sollen noch weit mehr Beta-Zerfallsereignisse registriert werden. Am Ende eines mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsprogramms soll das Project 8 Experiment die Empfindlichkeit bisheriger Experimente – wie des aktuellen KATRIN Experiments – schließlich übertreffen und so erstmals einen Wert für die Neutrinomasse ermitteln.

Veröffentlichung:
A. Ashtari Esfahani et al., „Tritium Beta Spectrum Measurement and Neutrino Mass Limit from Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“,
Phys. Rev. Lett. 131, 102502 (6 September 2023),
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.102502,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.102502,
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.102502.

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• Neutrinos

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik, München.

14. Februar 2022 – Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie eine wichtige Rolle bei der Bildung von großräumigen Strukturen, und in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein durch ihre winzige Masse, die auf neue physikalische Prozesse jenseits unserer bisherigen Theorien hinweist. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.

Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen.

Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Guido Drexlin vom KIT, der Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Dabei waren die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend für das neue Resultat“.

Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt
Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um die beiden Analyse-Koordinatoren Susanne Mertens, Max-Planck-Institut für Physik (MPP) und Technische Universität München und Magnus Schlösser, KIT, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Mertens und Schlösser.

Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passen perfekt: Daraus lässt sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 Elektronenvolt (eV) bestimmen. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde“ kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.

Susanne Mertens erläutert den Weg zum neuen Rekord: „Unser Team am MPP in München hat für KATRIN eine neue Analysemethode entwickelt, die speziell auf die Anforderungen dieser hochpräzisen Messung optimiert ist. Diese Strategie wurde erfolgreich für die vergangenen und aktuellen Ergebnisse eingesetzt. Meine Gruppe ist hochmotiviert: Wir werden uns auch den künftigen Herausforderungen der KATRIN-Analyse mit neuen kreativen Ideen und akribischer Genauigkeit stellen.“

Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern
Die Co-Sprecher und Analyse-Koordinatoren von KATRIN beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potential dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“.

Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im Kiloelektronvolt-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist.

(*) 1 Elektronenvolt entspricht der unvorstellbar geringen Masse von ca. 1,8 x 10^-36 Kilogramm

Publikation
Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity
KATRIN Collaboration
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1.epdf

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