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NEUTRINOS
Preis für obere Massengrenzen

von Redaktion
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23. Mai 2001

Neutrinos, jene winzigen und nahezu massenlosen Elementarteilchen, könnten in der Kosmologie eine entscheidende Rolle spielen. Je nachdem nämlich wie schwer dieses Neutrinos sind, sieht die Zukunft unseres Universum deutlich anders aus. Physiker der Universität in Mainz konnten nun eine präzise Obergrenze für die Neutrinomasse bestimmen und erhielten dafür den Helmholtz-Preis - den bedeutendsten deutschen Preis für Metrologie.

Ein sehr kleines, aber zugleich sehr häufiges Teilchen könnte das Schicksal des Universums bestimmen. Ist das Teilchen zu leicht oder wiegt es gar nichts, könnte das Universum bis in alle Zeiten expandieren. Hat es dagegen eine zwar kleine, aber doch merkliche Masse, dann wird die Expansion des Universums irgendwann gestoppt oder sogar umgedreht - das Universum kollabiert. Die entscheidende Frage nach der Masse dieses Teilchens, das die Physiker Neutrino nennen, kann mittlerweile zumindest zu einer Hälfte sehr präzise beantwortet werden: Eine Mainzer Physikergruppe der Johannes Gutenberg-Universität bestimmte durch Zerfallsexperimente an radioaktivem Tritium eine sehr genaue Obergrenze dieser Masse. Für diese Arbeit erhalten die Physiker Jochen Bonn und Christian Weinheimer den Helmholtz-Preis des Jahres 2001, mit dem messtechnische Höchstleistungen ausgezeichnet werden. 

Die Messtechnik, mit der die Neutrinomasse bestimmt werden soll, ist vor allem deswegen so schwierig, weil das Teilchen sich durch so gut wie nichts aufhalten lässt. Nahezu ungehindert und ohne Spuren zu hinterlassen, durchdringen Neutrinos alles, was sich ihnen in den Weg stellt. Das gilt natürlich auf für Messinstrumente. Jahrelang waren in allen Experimenten - unabhängig, von welcher Gruppe sie durchgeführt wurden - die auftretenden Fehler so groß, dass den Messungen kaum zu trauen war. Teilweise führten die Auswertungen der Versuche gar zu einer negativen Masse des Teilchens.

Die Mainzer Gruppe um Bonn und Weinheimer hingegen untersuchte - in 15-jähriger akribischer Arbeit - verschiedene experimentelle Bedingungen sehr systematisch und konnte so die markantesten Fehlerquellen der Neutrinoexperimente aufspüren und bei eigenen Versuchen ausschließen. Das Mainzer Versuchsprinzip beruht auf einer Aussage, die schon die Lehrbücher der Physik seit langem publizieren. Danach werden Neutrinos stets bei einer gewissen Sorte des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen, dem sogenannten Beta-Zerfall, produziert. Die Aufgabe des Experimentators besteht nun darin, möglichst viele der vom Kern ausgesandten Elementarteilchen einzusammeln und ihre Bewegungsenergie genau zu messen. Aus der energetischen Verteilung der Teilchen, dem Energiespektrum, lässt sich dann, zumindest im Prinzip, die Teilchenmasse ablesen. 

Die experimentellen Schwierigkeiten fangen jedoch dann an, wenn in dem für die Neutrinos interessanten Teil des Spektrums (am unteren Ende der Energieskala) nur sehr wenige Teilchen eingefangen und analysiert werden können. Die zu kleine Stichprobenmenge führt zu unklaren statistischen Aussagen und gefährdet damit die Aussagekraft der Messung. Diesen Schwierigkeiten zum Trotz gelang es den Mainzer Physikern, eine sehr kleine und zugleich sehr glaubwürdige Obergrenze der Neutrinomasse aus ihren Experimenten abzulesen. Die experimentelle Kunst besteht gerade darin, eine möglichst kleine Obergrenze anzugeben, die damit möglichst nah an der Wirklichkeit liegt. 

Und das Universum? Expandiert es nun auf ewig oder wird es einst kollabieren? Darüber werden sich die Astrophysiker noch eine Weile streiten. Denn die von den Mainzern gefundene Obergrenze der Neutrinomasse liegt gerade in dem Bereich, in dem der Umschlag zwischen Expansion und Kollaps erfolgen könnte.

Links im WWW
Helmholtz-Fonds e.V.
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