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Rasterfahndung für eine neue Neutrino-Art: ERC Starting Grant für Susanne Mertens

Neutrinos stehen im Rampenlicht der Teilchenphysik: Zahlreiche Experimente beschäftigen sich mit diesen besonderen Teilchen – haben sie doch das Potenzial, einigen der großen Physikfragen zumindest einen Schritt näher zu kommen. Mit einem neuen Experiment will Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Physik einer bisher unbekannten Neutrino-Art auf die Spur kommen: Sterilen Neutrinos. Ihr ambitioniertes Projekt wird jetzt mit einem ERC Starting Grant in Höhe von rund 1,5 Millionen Euro gefördert.

Prof. Dr. Susanne Mertens

Prof. Dr. Susanne Mertens (Foto: A. Griesch/MPP)

„Das“ Neutrino gibt es eigentlich nicht: Vielmehr existieren mit dem Elektron-, dem Myon- und dem Tau-Neutrino drei unterschiedliche Teilchen, die sich auf ihrem Weg durchs Universum ständig ineinander umwandeln, oder anders formuliert „oszillieren“. Diese Entdeckung machten Wissenschaftler*innen schon vor 20 Jahren. Damit stellten sie das damalige Verständnis von Neutrinos auf den Kopf: Der Theorie nach sollten die Teilchen masselos sein – die Neutrino-Oszillation setzt aber eine Masse voraus.

Doch wie groß ist diese Masse? Dieser Frage geht Physikerin Susanne Mertens am KATRIN-Experiment am KIT nach. Das Experiment nahm im Juni 2018 seinen Betrieb auf; in Kürze werden die ersten Messergebnisse erwartet. Neben der Neutrinomasse befasst sich Susanne Mertens, die am Max-Planck-Institut für Physik (MPP) eine Forschungsgruppe leitet, mit einer völlig neuen Neutrinoart. Für dieses Forschungsprojekt mit dem Namen „SENSE“ erhält sie einen mit 1,5 Millionen Euro dotierten ERC Starting Grant für einen Zeitraum von fünf Jahren.

Aktive und sterile Neutrinos

Die bekannten Neutrinoarten sind linkshändig, eine Eigenschaft, die es ihnen erlaubt, mit anderer Materie wechselwirken, wenn auch sehr schwach. „Neben den aktiven linkshändigen könnte es auch rechtshändige Neutrinos geben“, erklärt Susanne Mertens. Diese würden noch schwächer mit anderen Teilchen reagieren. Deshalb nennt man sie ‚sterile‘ Neutrinos.“

Diese sterilen Neutrinos will Susanne Mertens finden. Eine ideale Bezugsquelle dafür ist das KATRIN-Experiment, wo beim Zerfall von Tritium (*) Elektronen und Neutrinos freigesetzt werden. Im ersten Schritt wird das Team von Mertens zunächst neue Analyseverfahren entwickeln. „Damit können wir die Neutrinos einer Art Rasterfahndung unterziehen und hoffentlich eine leichte Variante von sterilen Neutrinos nachweisen“, sagt Mertens. „Ihre Masse wäre geringfügig größer als die der aktiven Neutrinos.“

Ein Kandidat für Dunkle Materie?

Zu einem späteren Zeitpunkt planen die Wissenschaftler*innen den Einbau eines hochempfindlichen Siliziumchips, der parallel und in Zusammenarbeit mit dem MPG HLL entwickelt wird. Dieser Sensor soll eine zweite Variante steriler Neutrinos identifizieren, die deutlich schwerer wären als ihre aktiven Familienmitglieder.

Dieses schwere sterile Neutrino kommt auch als Kandidat für Dunkle Materie infrage, die 25 Prozent des Universums ausmacht. Susanne Mertens erläutert, warum: „Diese Sorte Neutrinos könnte die passenden Eigenschaften mitbringen – und in ausreichender Anzahl vorkommen. Somit könnte sie für die gravitative Kraft der Dunklen Materie im Universum verantwortlich sein.“

Im Jahr 2019 vergab der Europäische Forschungsrat ERC 408 Förderpreise an junge Wissenschaftler*innen. Susanne Mertens ist bereits die zweite Wissenschaftlerin am MPP, die mit einem der begehrten ERC Starting Grant ausgezeichnet wurde. 2018 war Raimund Strauss, heute an der TUM, einer der Preisträger.

Für den Geschäftsführenden Direktor Dieter Lüst zeigt dies eine sehr erfreuliche Entwicklung: „Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik sind im internationalen Forschungswettbewerb vorne mit dabei. Eine wichtige Rolle spielt dabei sicher das fruchtbare Forschungsumfeld in der Münchner Region – und unsere Partnerschaft mit den beiden großen Unis der Stadt. Susanne Mertens ist ein gutes Beispiel dafür: Durch Programm MaxPlanck@TUM erhielt sie als Max-Planck-Gruppenleiterin eine Tenure-Track-Professur an der TUM – mit der Chance auf eine permanente Forschungsstelle.“

 

(*) Tritium wird auch schwerer Wasserstoff genannt. Im Gegensatz zum üblichen Wasserstoff, dessen Kern aus einem Proton besteht, besitzt das radioaktive Tritium ein Proton und zwei Neutronen.