KATRIN

Ziel und Bedeutung

KATRIN steht für Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Das Experiment soll die Masse des Elektron-Antineutrinos direkt bestimmen. Dazu wird am Karlsruher Institut für Technologie das Energiespektrum von Elektronen aus dem Betazerfall von Tritium nahe seiner Höchstenergie gemessen. Der Messbetrieb begann am 11. Juni 2018 nach einer feierlichen Eröffnung. Das Budget beträgt 60 Millionen Euro, die Messzeit war auf fünf Jahre angesetzt; beteiligt sind rund 200 Wissenschaftler aus fünf Ländern und zwei Kontinenten.

KATRIN soll das Betaspektrum im Bereich der Höchstenergie mit einer Empfindlichkeit von 0,2 eV vermessen, bei einem Konfidenzniveau von 90 % bei einer Messdauer über etliche Jahrzehnte. Damit soll es frühere gleichartige Experimente in Mainz und Troizk um eine Größenordnung übertreffen; diese hatten für die Neutrinomasse eine Obergrenze von 2 eV geliefert.

Physikalische Motivation

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurden die bekannten Neutrinoarten ν_e, ν_μ und ν_τ zunächst als masselos angenommen. Experimente mit atmosphärischen Neutrinos, solaren Neutrinos und Reaktor-Neutrinos zeigen aber durch Neutrinooszillationen, dass die Neutrinomasse von Null verschieden ist. Neutrinooszillationen sind Umwandlungen zwischen Neutrinoarten; solche Messungen liefern Massenquadrats-Abstände wie Δm²_21 und Δm²_23, aber nicht die absoluten Neutrinomassen.

KATRIN und seine Vorgängerexperimente sollen dagegen absolute Massen m_1, m_2 und m_3 der Massen-Eigenzustände bestimmen. Diese hängen mit den messbaren Massen von Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino über die Maki-Nakagawa-Sakata-Mischungsmatrix zusammen.

Die genaue Neutrinomasse ist wichtig, um zwischen Modellen zu unterscheiden, die Neutrinos über das bisherige Standardmodell hinaus eine Masse geben. Außerdem kann sie Hinweise darauf liefern, in welchem Ausmaß Neutrinos als „heiße dunkle Materie“ zur Entstehung großskaliger Strukturen im Universum beigetragen haben.

Mit der Masse eines der drei Massen-Eigenzustände kann man zwischen drei möglichen Varianten des Neutrinomassenspektrums unterscheiden: normale Hierarchie m_1 < m_2 ≪ m_3, invertierte Hierarchie m_3 ≪ m_1 < m_2 und quasi-degenerierte Hierarchie m_1 ≈ m_2 ≈ m_3 ≈ m_0 mit m_0 = 0,10 eV. KATRIN stößt als erstes Experiment in den Bereich der quasi-degenerierten Hierarchie vor.

Messprinzip

Ausgangspunkt ist der Betazerfall von gasförmigem Tritium. Dabei werden ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Zerfallsenergie von 18,6 keV wird zwischen dem Tochterkern und den beiden Teilchen aufgeteilt; der Tochterkern erhält wegen seiner großen Masse nur einen sehr kleinen Anteil.

Wenn das Neutrino masselos wäre, könnte seine Energie bis auf Null sinken, und das Elektronenspektrum würde bis zur vollen Zerfallsenergie von 18,6 keV reichen. Hat das Neutrino eine von Null verschiedene Masse m_ν und damit eine Ruheenergie, fehlt dem Elektron mindestens diese Energie. Deshalb unterscheiden sich die Kurven besonders nahe der maximalen Elektronenenergie. KATRIN misst genau diesen Endpunktbereich und vergleicht die gemessene Kurve mit der theoretisch berechneten Kurve für m_ν = 0.

Ein wichtiges Darstellungswerkzeug ist der Kurie-Plot: Er zeigt die Quadratwurzel der Energiewahrscheinlichkeit der emittierten Elektronen über deren Energie. Bei massenlosen Neutrinos würde sich der Graph am Endpunkt einer horizontalen Gerade annähern.

Aufbau und Untergrundschutz

Für KATRIN sind nur Elektronen interessant, die Tritium mit fast der vollen Zerfallsenergie verlassen. Ihre Energien von etwa 18,6 keV müssen auf genauer als 1 eV unterschieden werden, also mit einer Energieauflösung von etwa 1/20 000 oder 5 · 10^-5. Einfache Teilchendetektoren reichen dafür nicht aus.

Deshalb nutzt KATRIN zwei hintereinander angeordnete Spektrometer, sogenannte MAC-E-Filter. MAC-E bedeutet „Magnetic Adiabatic Collimation combined with an Electrostatic Filter“. Eine einstellbare Gegenspannung filtert Elektronen unterhalb einer bestimmten Energie heraus. Die übrig bleibenden Elektronen treffen mit einer durch die Gegenspannung auf etwa 1 eV genau festgelegten Energie auf den Detektor. MAC-E-Filter haben im Vergleich zu anderen Betaspektrometern eine besonders hohe Luminosität.

Im Vorspektrometer verringert eine Gegenspannung von etwa −18 kV den Elektronenfluss, indem langsamere Elektronen zurückgelenkt werden. Das Hauptspektrometer erreicht dann das extreme Auflösungsvermögen. Im MAC-E-Spektrometer erzeugen zwei axial hintereinander angeordnete Spulen ein Magnetfeld. Das Auflösungsvermögen ist durch ΔE/E = B_min/B_max gegeben. Um B auf 1/20 000 zu verringern, muss der freie Querschnitt zwischen den Spulen auf das 20000-fache des Spulenquerschnitts anwachsen. Das erklärt den großen Hauptspektrometer-Vakuumtank mit 10 m Durchmesser. Die Spannung im Hauptspektrometer wird im Bereich von −18,6 kV variiert; die Zählrate wird als Funktion der Spannung aufgezeichnet. Die supraleitenden Magnetspulen erreichen mindestens 6 Tesla.

Der Silizium-Halbleiterdetektor hat nur eine Energieauflösung von 200 eV. Wegen der vorherigen Energieselektion ist das ausreichend; die geringere Auflösung hilft sogar bei der Unterdrückung von Untergrundsignalen. Der Elektronenfluss sinkt von 10^10 Elektronen/s an der Tritiumquelle auf etwa 1 Elektron/s am Detektor. Für aussagekräftige Ergebnisse sind daher mehrere Messperioden von jeweils drei Monaten nötig, wobei die Gegenspannung auf wenige ppm genau aufgezeichnet werden muss.

Elektronen, die nicht aus dem Tritium-Betazerfall stammen, können die Messung verfälschen. Sie können zum Beispiel durch sekundäre kosmische Strahlung aus der Tankwand gelöst werden. Deshalb ist das Hauptspektrometer innen mit einer doppelten Abschirmelektrode ausgekleidet. Ihre Spannung ist etwas kleiner als die an der Tankwand, etwa −18,6 kV gegenüber −18,4 kV. Dadurch werden aus der Wand gelöste Elektronen abgebremst und erreichen den Detektor nicht.

Ergebnisse und Planung

Bis 2016 befand sich KATRIN im Aufbau; einzelne Komponenten wurden in Betrieb genommen und getestet. Im Herbst 2016 wurden zum ersten Mal Elektronen aus Kalibrationsquellen durch das gesamte Experiment transmittiert, bezeichnet als „First Light“. Im Sommer 2017 folgte eine Messkampagne mit Elektronen aus dem Zerfall von ^83mKr, um den Betrieb und wichtige Eigenschaften wie Energieauflösung und Stabilität der Spektrometerspannung zu prüfen.

Seit Mai 2018 wurden erste Messungen im angestrebten Betriebsmodus mit verringerter Tritiummenge durchgeführt. Am 14. Februar 2022 veröffentlichte die Forschungskooperation eine Eingrenzung der maximalen Neutrinomasse auf 0,9 eV; unter Nutzung früherer Experimente ergab sich 0,8 eV, jeweils bei 90 % Konfidenzniveau. Ende 2024 wurde die maximale Neutrinomasse auf 0,45 eV eingegrenzt.

Nach Abschluss der Messkampagne im Jahr 2025 und einem Umbau des Detektors soll KATRIN in den Jahren 2026 und 2027 den Hauptbereich des Energiespektrums vermessen. Ziel ist die Suche nach möglichen Signaturen steriler Neutrinos, die sich als „Knicke“ in der Kurve zeigen könnten. Sterile Neutrinos wären Neutrinos, die sich anders bemerkbar machen als die bekannten Neutrinoarten. Der Umbau ist nötig, weil die Energieschwelle deutlich niedriger eingestellt werden muss und dadurch mehr Elektronen passieren würden, als der bisherige Detektor verarbeiten kann.

Danach ist ein größerer Umbau zu KATRIN++ geplant. Die Messgenauigkeit für die Neutrinomasse soll dadurch deutlich verbessert werden. Geplant sind unter anderem atomarer Tritium als Quelle, weil bei den bisher verwendeten Tritium-Molekülen T_2 ein variabler Teil der Zerfallsenergie in Molekülschwingungen des HHe^+-Ions geht, sowie eine Messung der Energie durchgelassener Elektronen, um Mess-Elektronen besser von meist energiereicheren Hintergrund-Elektronen zu unterscheiden.

Standort, Transport und verwandte Ansätze

KATRIN wurde am Karlsruher Institut für Technologie aufgebaut, weil sich dort am KIT Campus Nord der europaweit einzige für das Experiment geeignete Tritiumvorrat befindet. Der 200 t schwere, 24 m lange Vakuumtank des Hauptspektrometers mit 10 m Durchmesser wurde in Deggendorf von MAN DWE hergestellt. Da er zu groß für Autobahnen und für den Main-Donau-Kanal zu hoch war, wurde er auf einem 8600 km langen Wasserweg über Donau, Schwarzes Meer, Mittelmeer, Atlantik, Ärmelkanal, Nordsee und Rhein nach Leopoldshafen transportiert. Am 25. November 2006 legte er die letzten 6,8 km per Tieflader-Schwertransport in viereinhalb Stunden zurück.

Ähnliche Experimente nutzen den Grundsatz, dass eine geringere freiwerdende Energie beim Beta-Zerfall genauere Messungen ermöglicht. Tritium zerfällt mit 18,59 keV und einer Halbwertszeit von 12 Jahren zu Helium-3. Energieärmere bekannte Zerfälle sind Rhenium-187 zu Osmium-187 mit 2,492 keV und 41 Milliarden Jahren Halbwertszeit sowie Holmium-163 zu Dysprosium-163 mit 2,555 keV und 4500 Jahren Halbwertszeit. Diese Nuklide befinden sich in der Machbarkeitsphase.

Mit Rhenium befassen sich MARE-1, MANU und MIBETA; problematisch ist die geringe Aktivität von 1 Bq/mg. Mit Holmium beschäftigen sich HOLMES, ECHo und MARE-Ho. Project 8 untersucht eine alternative Methode: Elektronen aus dem Tritium-Betazerfall werden in starken Magnetfeldern auf spiralförmige Bahnen gezwungen und senden Zyklotron-Strahlung aus, aus deren Frequenz die ursprüngliche Elektronenenergie rekonstruiert werden kann. Das Messprinzip wurde grundsätzlich demonstriert, das Projekt ist aber noch in der Forschungsphase. Das Ptolemy-Projekt plant, den kosmischen Neutrinohintergrund durch Neutrino-Einfang an Tritium direkt nachzuweisen; dafür wäre wegen der Seltenheit solcher Ereignisse etwa 100 Gramm Tritium nötig.