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Mit KATRIN neuen Geisterteilchen auf der Spur
Redaktion
/ Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie
astronews.com
8. Dezember 2025
Mit dem internationalen Experiment KATRIN in Karlsruhe
suchen Forschende nach der Masse von Neutrinos und mit hoher Präzision auch nach
einem vierten, bislang unentdeckten Neutrino-Typ. So konnten sie neue Grenzen
für die Physik dieser Teilchen setzen und sogenannte sterile Neutrinos mit einer
sehr niedrigen Masse praktisch ausschließen.
Eingang in den Innenraum des Hauptspektrometers von KATRIN
während der Aufbauphase.
Foto: Markus Breig, KIT [Großansicht] |
Neutrinos zählen zu den häufigsten Teilchen im Universum, sie sind aber
extrem schwer nachzuweisen. Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt drei
Typen. Durch Neutrino-Oszillationen wurde nachgewiesen, dass sie eine Masse
haben und sich ineinander umwandeln. Seit Jahren deuten jedoch rätselhafte
experimentelle Anomalien auf die Existenz eines vierten Typs hin – eines
sterilen Neutrinos, das noch schwächer mit Materie wechselwirkt. Dessen Nachweis
würde das Verständnis der Teilchenphysik grundlegend verändern.
Das KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN), das Forschende am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zur Bestimmung der Neutrinomasse
betreiben, hat nun einen wichtigen Beitrag zur Suche nach neuer Physik jenseits
des Standardmodells geleistet. In einer aktuellen Studie zeigt die
KATRIN-Kollaboration, dass sich die Eigenschaften dieser sterilen Neutrinos
weiter einschränken lassen. Ein entsprechendes Signal haben die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht gefunden. Damit werden frühere
Hinweise auf dieses Teilchen aus anderen Experimenten deutlich relativiert.
"Unser neues Ergebnis ist vollständig komplementär zu Reaktorexperimenten wie
STEREO", erklärt Dr. Thierry Lasserre vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in
Heidelberg, der die Analyse leitete. "Reaktorexperimente sind besonders
empfindlich für geringe Massendifferenzen. KATRIN untersucht jedoch einen
bedeutend breiteren Bereich – von der niedrigen Massenquadrat-Skala der
bekannten Neutrinomassen-Obergrenze bis hin zu Werten, die einige hundertmal
größer sind. Gemeinsam schließen beide Ansätze nun leichte sterile Neutrinos
aus, die sich in die bekannten Neutrinotypen umwandeln könnten."
Das KATRIN-Experiment untersucht den β-Zerfall von Tritium. Dabei wird das
Energiespektrum der entstehenden Elektronen gemessen, das durch die
Neutrinomasse verändert wird. Ein zusätzliches Neutrino würde eine weitere
charakteristische Verzerrung – eine Art Knick – im Spektrum verursachen. "In den
dieser Analyse zugrunde liegenden Messkampagnen haben wir über 36 Millionen
Elektronen registriert und das gemessene Spektrum mit theoretischen Modellen
verglichen. Einen Hinweis auf sterile Neutrinos konnten wir dabei nicht finden",
sagt Professorin Kathrin Valerius vom Institut für Astroteilchenphysik des KIT,
Co-Sprecherin der KATRIN-Kollaboration. "Damit können wir einen großen
Parameterbereich ausschließen, den frühere Anomalien in Reaktor-Neutrino- und
Gallium-Quellen-Experimenten nahegelegt haben. Auch die Ergebnisse des
Neutrino-4-Experiments konnten wir widerlegen."
Mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis, das sicherstellt, dass fast alle
detektierten Elektronen aus dem Tritium-β-Zerfall stammen, erreicht KATRIN eine
sehr saubere Messung der Spektralform. Im Gegensatz zu Oszillationsexperimenten,
die untersuchen, wie sich Neutrinos nach einer gewissen Strecke in ihrem Zustand
ändern, untersucht KATRIN die Energieverteilung am Entstehungsort. Beide Ansätze
ergänzen sich und liefern gemeinsam einen starken Test, der die Existenz
leichter steriler Neutrinos praktisch ausschließt.
Die Datenerfassung bei KATRIN läuft noch bis Ende dieses Jahres. "Bis dahin
haben wir über 220 Millionen Elektronen im relevanten Bereich aufgezeichnet", so
Valerius. "Das verbessert die Statistik um mehr als den Faktor sechs und erlaubt
noch präzisere Aussagen." Ab 2026 wird KATRIN mit dem neuen TRISTAN-Detektor
erweitert. Dieser kann das gesamte Spektrum direkt messen und erweitert die
Suche auf höhere sterile Neutrino-Massen. "Das neue Setup wird ein Fenster in
den keV-Massenbereich öffnen, in dem sterile Neutrinos möglicherweise sogar die
Dunkle Materie des Universums bilden", sagt Co-Sprecherin Dr. Susanne Mertens,
Direktorin vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.
Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
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