Neue Obergrenze ermittelt – Aktuelle Forschungsergebnisse als Grundlage für größer angelegte Experimente, um sich der Masse der „Geisterteilchen“ weiter anzunähern

Ihre Masse ist extrem gering, doch wie leicht sind Neutrinos wirklich? Eine Kollaboration deutscher und internationaler Forschungsgruppen hat ihre Experimente zur Massebestimmung dieser „Geisterteilchen“ optimiert. Dabei ist es gelungen, die bisher im Rahmen ähnlicher Messungen ermittelte Obergrenze auf der Neutrinomasseskala weiter nach unten zu korrigieren. Im Rahmen des „Electron Capture in Ho-163 Experiment“ (ECHo) nutzen die Wissenschaftler dazu das Isotop Holmium-163 (Ho-163), das bei seinen Zerfallsprozessen Rückschlüsse auf die Neutrinomasse erlaubt. Nach Angaben von ECHo-Sprecherin Prof. Dr. Loredana Gastaldo, Wissenschaftlerin am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, belegen die aktuellen Ergebnisse, dass künftig noch größer angelegte Untersuchungen durchführbar sein werden. Sie sollen es ermöglichen, sich der Masse der Neutrinos noch weiter anzunähern und sie schließlich genau zu bestimmen.

Neutrinos sind Elementarteilchen mit extrem geringer Masse, die keine elektrische Ladung besitzen. Da sie nur sehr schwach mit Materie wechselwirken, ist es sehr schwierig, die Eigenschaften dieser „Geisterteilchen“ zu ermitteln. Das gilt insbesondere für die Neutrinomasse, die bisher nicht exakt gemessen werden konnte und nur als Obergrenze bekannt ist. Die Bestimmung der Masse könnte nach den Worten von Loredana Gastaldo den Weg ebnen für neue theoretische Modelle jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik – und damit zu einem besseren Verständnis der Entwicklung unseres Universums beitragen.

Weltweit arbeiten mehrere Forschungsgruppen daran, die Neutrinomasseskala durch die Analyse radioaktiver Zerfälle zu bestimmen. Die bislang niedrigste Obergrenze wurde im Rahmen des „Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“ (KATRIN) gemessen, das jedoch im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Messungen seine Grenze erreicht, wie Prof. Gastaldo erläutert. Das ECHo-Experiment wurde konzipiert, um die Ergebnisse aus dem Projekt KATRIN zu ergänzen und künftig eine noch höhere Sensitivität zu erreichen. Der ECHo-Kollaboration, deren Sprecherin die Wissenschaftlerin seit 2011 ist, gehören Forschungsteams aus Heidelberg, Mainz, Darmstadt, Tübingen und Karlsruhe sowie aus Genf (Schweiz) und Grenoble (Frankreich) an.

Um die Neutrinomasse zu ermitteln, untersuchen die Forscherinnen und Forscher im Rahmen der ECHo-Experimente die Energie, die beim Zerfall von Holmium-163 freigesetzt wird. Bei diesem Zerfallsprozess „fängt“ ein Proton im Atomkern des radioaktiven Isotops ein Elektron ein. Durch die Wechselwirkung dieser beiden Teilchen entstehen ein Neutron und ein „geisterartiges“ Neutrino, das mit einer bestimmten Energie weggeschleudert wird. Die Masse des Neutrinos bewirkt eine leichte Veränderung in der Energieverteilung der atomaren Anregungen. „Aus den winzigen Veränderungen im gemessenen Energiespektrum können wir Rückschlüsse auf die Neutrinomasse ziehen“, sagt Prof. Gastaldo. Das Isotop Holmium-163 eignet sich nach Angaben der Experimentalphysikerin besonders gut für diese Messungen, weil bei seinem Zerfall insgesamt nur sehr wenig Energie freigesetzt wird. Das bedeutet, dass selbst sehr kleine Schwankungen in der Spektralform mit geeigneten Detektoren nachgewiesen werden können.

Für die Untersuchungen der ECHo-Experimente kommen metallische Magnetkalorimeter zum Einsatz. Die Detektoren wurden unter der Leitung von Prof. Gastaldo am Kirchhoff-Institut für Physik entwickelt und hergestellt. Sie sind nur etwa 200 Mikrometer groß und werden bei extrem tiefen Temperaturen von 20 Tausendstel Kelvin betrieben, so dass sich auch kleinste Energieunterschiede in Form von Temperaturschwankungen bemerkbar machen. Das Holmium-163 wird in der RISIKO-Einrichtung der Universität Mainz direkt in die Detektoren eingebettet. Dank eines verbesserten Detektordesigns konnten bei dem nun an der Universität Heidelberg durchgeführten Experiment erstmals etwa 200 Millionen solcher Holmium-163-Zerfallsprozesse beobachtet werden.

Die Wissenschaftler konnten damit die Obergrenze der Neutrinomasseskala im Vergleich mit früheren ECHo-Messungen um etwa eine Größenordnung nach unten korrigieren – und um einen Faktor zwei gegenüber dem Ergebnis der HOLMES-Kollaboration, die ebenfalls Holmium-163 zur Bestimmung der Neutrinomasse verwendet. „Dieses Ergebnis untermauert die Bedeutung der ECHo-Experimente und demonstriert, dass in Zukunft noch größer angelegte Untersuchungen unter Verwendung von Holmium-163 möglich sein werden“, betont Loredana Gastaldo. Dazu plant sie, die Zahl der Detektoren von aktuell 100 auf 20.000 zu erweitern. Für dieses Projekt „Electron Capture in Ho-163 – Large Experiment“ (ECHo-LE) hat sie eine Förderung des Europäischen Forschungsrats (ERC), einen ERC Advanced Grant, erhalten.

An den aktuellen Forschungsarbeiten haben Teams der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Universität Tübingen und des Karlsruher Instituts für Technologie mitgewirkt. Ebenfalls beteiligt waren Forscherinnen und Forscher des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf (Schweiz) sowie des Institut Laue-Langevin in Grenoble (Frankreich). Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen.