Forschungsbericht 2025 - Max-Planck-Institut für Kernphysik
Leicht, leichter, Neutrinos: Ein Geist auf der Waage
Die Entdeckung der Neutrinooszillationen, die 2015 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, hat eindeutig bewiesen, dass Neutrinos eine Masse haben; ihr tatsächlicher Wert bleibt jedoch eine der größten offenen Fragen in der Astroteilchenphysik.
Die Tatsache, dass Neutrinos um mehrere Größenordnungen leichter sind als alle anderen Elementarteilchen im Standardmodell, wirft die Frage auf, ob für ihre Masse ein noch unbekannter Mechanismus verantwortlich ist. Trotz ihrer geringen Masse spielen Neutrinos aufgrund ihrer enormen Häufigkeit im Universum eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Universums und der Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen. Daher hat die Bestimmung der Neutrinomasse entscheidende Auswirkungen sowohl auf die Teilchenphysik als auch auf die Kosmologie.
Die Messung der Neutrinomasse ist eine enorme Herausforderung: Neutrinos wechselwirken derart schwach mit Materie, dass sie selbst von Lichtjahre dickem Blei nicht aufgehalten werden könnten. Um sie zu wiegen, sind daher experimentelle Techniken erforderlich, die an der Grenze des technologisch Machbaren liegen.
Im Jahr 2025 gelang dem Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN)-Experiment – unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg – ein weltweiter Durchbruch. Es legte die strengste direkte Obergrenze für die Neutrinomasse fest: Das Neutrino muss weniger als 8×10–37 kg (entspricht einer Äquivalentenergie von 0,45 eV) wiegen – etwa ein Millionstel der Elektronenmasse. Da KATRIN eine direkte Messtechnik nutzt, hängt dieses Ergebnis nicht von kosmologischen Modellen oder anderen Neutrinoeigenschaften ab.
Erreichen einer rekordverdächtigen Neutrino-Massensensitivität
Die Idee stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert, als der italienische Physiker Enrico Fermi voraussagte, dass die maximale Energie, die ein Elektron bei einem radioaktiven Beta-Zerfall erhalten kann, von der Neutrinomasse abhängt. Beim Tritium-Beta-Zerfall teilen sich das Elektron und das Neutrino die freigesetzte Energie von 18,6 keV. Das Elektron kann jedoch nicht die gesamte Energie abtransportieren, da das Neutrino entsprechend seiner Masse gemäß Einsteins berühmter Beziehung E = mc² mindestens einen winzigen Anteil davon beansprucht. Somit ermöglicht eine ultrahochpräzise Beta-Spektroskopie nahe am sogenannten spektralen Endpunkt eine Bestimmung der Neutrinomasse.
Die so erreichte Präzision erforderte außergewöhnliche experimentelle Anstrengungen. Das KATRIN-Experiment besteht aus einer 70 Meter langen Strahlführung mit einer der intensivsten und präzisesten Tritiumquellen und einem Spektrometer von beispielloser Stabilität und Auflösung, das einen Durchmesser von 10 Metern hat. Über mehrere Jahre hinweg zeichnete das Experiment an insgesamt 259 Messtagen mehr als 36 Millionen Elektronen in der Nähe des Endpunkts aus Tritium-Beta-Zerfällen auf. Die Bestimmung der Neutrinomasse erforderte sowohl diese einzigartige Infrastruktur als auch neuartige Datenanalysemethoden, darunter fortschrittliche statistische und maschinelle Lernwerkzeuge. Für diesen Erfolg war die Arbeit, die am Max-Planck-Institut für Physik in München begann, an der Technischen Universität München fortgesetzt und schließlich Anfang 2025 am MPIK weitergeführt wurde, unverzichtbar.
1000 Tage KATRIN – und schon neue Ideen
Nach Erreichen von 1000 Messtagen beendete KATRIN im Oktober 2025 die Phase der Datenerfassung. Die umfangreichen Daten werden nun analysiert, um das endgültige Ergebnis für die Neutrinomasse zu ermitteln, wobei eine ultimative Empfindlichkeit von 0,3 eV angestrebt wird.
Im Jahr 2026 folgt mit der Inbetriebnahme des TRISTAN-Detektors eine bedeutende Aufrüstung, der am Max-Planck-Halbleiterlabor in München unter der Leitung der KATRIN-Gruppe am MPIK entwickelt und gebaut wurde. Diese Erweiterung wird ein neues Fenster für die Suche nach hypothetischen sterilen Neutrinos öffnen, die als mögliche Kandidaten für dunkle Materie gelten. Mit dieser bevorstehenden Messphase wird KATRIN die Erforschung einer weiteren grundlegenden offenen Frage der Teilchenphysik und Kosmologie in Angriff nehmen.
Diese Fortschritte sind das Ergebnis einer bemerkenswerten internationalen Zusammenarbeit, die durch die starken Beiträge und die langjährige Führungsrolle der Max-Planck-Gesellschaft unterstützt wird. Mehr als 150 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker und Studenten aus aller Welt bringen ihr Fachwissen in den Bereichen Tritiumphysik, Präzisionsmesstechnik und fortgeschrittene Datenanalyse ein. Ihre gemeinsame Arbeit hat KATRIN an die Spitze der Neutrinoforschung gebracht. Die Erfolge des Jahres 2025 – von der Festlegung einer neuen weltweit führenden Massengrenze bis zum Abschluss von 1.000 Messungstagen – runden ein Jahr voller Meilensteine ab, die uns dem Verständnis näher bringen, wie Neutrinos das Universum formen.
