applicationContext = Production

Experimente zur Neutrinophysik

Neutrinos sind Elementarteilchen des Standardmodells. Da sie nur schwach mit anderen Teilchen wechselwirken, blieben sie lange unentdeckt. Erstmals postulierte Wolfgang Pauli 1930 das Neutrino, um die fehlende Energie beim radioaktiven Beta-Minus-Zerfall von Atomkernen zu erklären. Es dauerte jedoch fast 30 weitere Jahre, bis es gelang, das Neutrino tatsächlich nachzuweisen.

Neutrinos werden bei Reaktionen der schwachen Wechselwirkung frei, also beim Kernzerfall – aber auch beim umgekehrten Prozess, der Fusion von Kernen, wie etwa in der Sonne. Auf der Erde entstehen Neutrinos beim Zerfall schwerer Elemente in Kernreaktoren. Außerdem spielen Neutrinos eine wichtige Rolle als „Botschafter“ von kosmischen Objekten: Zum Beispiel bei der Erforschung von Supernova-Explosionen, die den größten Teil ihrer Energie in einer Stoßwelle aus Neutrinos freisetzen.

Es gibt mehrere Versionen von Neutrinos, auch Flavors genannt: Das Elektron-, das Myon- und das Tau-Neutrino. Eine Besonderheit der Teilchen ist ihre Fähigkeit, zwischen ihren Flavors hin und her zu wechseln. Diesen erst 2002 nachgewiesenen Vorgang nennt man Neutrino-Oszillation.

Trotz allem, was bereits über Neutrinos bekannt ist, gibt es zwei zentrale Fragen zu ihren Eigenschaften: Wie groß ist die Masse des Neutrinos? Und: Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?

Am Max-Planck-Institut für Physik erforschen zwei Gruppen diese Neutrino-Eigenschaften. LEGEND beschäftigt sich mit der Frage, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Mit dem KATRIN-Experiment versuchen Wissenschaftler*innen, die Masse des Elektronneutrinos zu einzugrenzen.

KATRIN: Bestimmung der Neutrinomasse

Mit dem KATRIN-Experiment in Karlsruhe soll die Neutrinomasse weiter eingegrenzt werden. Bisher sind lediglich Obergrenzen für die Neutrinomasse bekannt. Nun hoffen Physiker*innen auf eine direkte Bestimmung der Masse des Elektron-Antineutrinos. Dies würde auch zu einem besseren Verständnis der Neutrino-Massenhierarchie führen. Eine Erweiterung des Katrin-Experiments ist mit TRISTAN geplant, das sich explizit auf die Suche nach einem sterilen Neutrino macht.

LEGEND: die Natur des Neutrinos

LEGEND sucht wie das frühere GERDA-Experiment nach der Existenz des neutrinolosen doppelten Betazerfalls, dessen Existenz beweisen würde, dass  Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind – und damit helfen würde zu erklären, warum im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie existiert. Das Experiment in seiner ersten Phase befindet sich in einem Untergrundlabor im Gran Sasso-Bergmassiv, LNGS, in Italien.