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KATRIN
Neutrinoexperiment auf Europatour
Redaktion / idw / Forschungszentrum Karlsruhe
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10. Oktober 2006

In Karlsruhe wird derzeit ein aufwendiges Experiment aufgebaut, mit dessen Hilfe die Neutrinomasse mit bislang unerreichter Genauigkeit gemessen werden soll.  Eine Hauptkomponente der Anlage wurde im bayerischen Deggendorf gebaut und trat nun ihre 8.800 Kilometer lange Reise nach Karlsruhe an.

KATRIN Hauptspektrometer

Das Hauptspektrometer, Herzstück des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments KATRIN, in der Montagehalle in Deggendorf.
Foto: Forschungszentrum Karlsruhe

Am Donnerstag, dem 28. September 2006 begann die zentrale Einheit des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments, das so genannte Hauptspektrometer, seine 8.800 Kilometer lange Seereise vom bayerischen Deggendorf ins badische Karlsruhe. Wegen der Dimensionen des Spektrometers mit einer Länge von 24 Metern und einem Durchmesser von 10 Metern kommt der Landweg nicht in Frage.

So geht das Spektrometer auf eine Reise rund um Europa: Auf der Donau wird es zum Schwarzen Meer transportiert, dort umgeladen und per Hochseeschiff über Bosporus, Mittelmeer, Gibraltar, Atlantik und Nordsee nach Antwerpen gebracht. Nach erneutem Umladen fährt das Spektrometer dann per Rheinschiff nach Eggenstein-Leopoldshafen. Die größte logistische Herausforderung ist die letzte Etappe vom Hafen zum Forschungszentrum Karlsruhe mit dem Tieflader. Mitte Dezember wird der größte Kran Europas dann den 200 Tonnen schweren Behälter in seine endgültige Position heben.

Im Forschungszentrum Karlsruhe entsteht zurzeit mit KATRIN (KArlsruher TRItium Neutrino Experiment) die präziseste Waage der Welt für Neutrinos (astronews.com berichtete). KATRIN nutzt den Effekt, aufgrund dessen der Physiker Wolfgang Pauli 1930 das Neutrino voraussagte: Beim Beta-Zerfall eines Atomkerns wird nicht nur ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein Elektron emittiert, sondern es entsteht auch ein weiteres Teilchen, das Neutrino. Dieses elektrisch ungeladene und schwer nachweisbare Teilchen trägt einen Teil der beim Zerfall freiwerdenden Energie fort.

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Die kleinstmögliche Energie, die das Neutrino forttragen kann, ist gemäß Einstein seine Ruhemasse. Die Maximalenergie des emittierten Elektrons entspricht dann der Zerfallsenergie vermindert durch die Ruhemasse des Neutrinos. Der Verlauf des Energiespektrums der Elektronen gibt daher Aufschluss über die Größe der Neutrinomasse. Das ideale Element für die Untersuchungen ist der Beta-Strahler Tritium, ein Wasserstoffisotop, das mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren zerfällt.

KATRIN ist insgesamt 70 Meter lang und besteht aus drei Hauptkomponenten: Einer hochintensiven Tritium-Quelle zur Erzeugung der Elektronen, einem System aus zwei Spektrometern zur Bestimmung ihrer Energie sowie einem Detektor für den Nachweis der Elektronen.

Das Herzstück ist dabei das Hauptspektrometer mit einer Länge von 24 Metern und einem Durchmesser von 10 Metern. In diesem Spektrometer wird die Energie der beim Tritiumzerfall entstehenden Elektronen mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden. Hierzu muss der Tank auf eine extrem stabile Hochspannung von 18.600 Volt gelegt werden. Um diesen Messprozess ohne Störungen durchführen zu können, muss im Spektrometertank ein Ultrahochvakuum (UHV) erzeugt werden. Mit seiner Oberfläche von mehr als 600 Quadratmetern ist KATRIN der weltweit größte bisher hergestellte UHV-Tank.

Die Anordnung ist so ausgelegt, dass die bisherige experimentelle Empfindlichkeit zur Messung der Neutrinomasse um einen Faktor 100 verbessert wird. KATRIN stößt damit erstmals in den kosmologisch interessanten Massenbereich vor. Dementsprechend hoch sind die Erwartungen der Kosmologen und Teilchenphysiker an KATRIN - ebenso hoch sind aber auch die technologischen Herausforderungen beim Aufbau der Neutrinowaage.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist als Standort für dieses Experiment ideal geeignet. Weltweit nur hier sind alle notwendigen fachlichen Voraussetzungen zu finden: das europaweit einmalige Tritiumlabor Karlsruhe (TLK), Erfahrungen mit Hochvakuum und Kryotechnik für große wissenschaftliche Apparaturen, Erfahrungen in der Supraleiterentwicklung, Know-how und Infrastruktur für Bau und Betrieb solcher Großanlagen und natürlich Exzellenz in Neutrino- und Astroteilchen-Physik.

Aus diesem Grunde hat sich eine internationale Kollaboration von mehr als 120 Wissenschaftlern, Technikern und Studenten zu einem 'Weltexperiment' zusammengefunden, an dem praktisch alle auf dem Gebiet der Neutrinomassenbestimmung engagierten Forschungseinrichtungen beteiligt sind und ihre spezielle Expertise einbringen. Von deutscher Seite sind beteiligt die Universitäten Karlsruhe, Münster, Mainz und Bonn sowie die Fachhochschule Fulda.

Sobald der Spektrometertank sein endgültiges "Zuhause" in der KATRIN Experimentierhalle gefunden hat, beginnt für die Wissenschaftler und Techniker vor Ort die Arbeit. In Reinraumkleidung werden sie im Innern des Tanks über einen Zeitraum von mehreren Monaten zusätzliche Komponenten installieren, die für die Messungen erforderlich sind. Nach Abschluss aller Arbeiten, auch an der Tritiumquelle, wird KATRIN 2009/10 mit den mehrjährigen Messungen beginnen, um endgültig die Frage zu beantworten: Wie schwer ist ein Neutrino?

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siehe auch

Physik: Was wiegt ein Neutrino? - 12. Juli 2005
Neutrinos: KATRIN soll Neutrinomasse bestimmen - 6. Juli 2001

Links im WWW
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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