Neutrino-Massenmessung mit Tritium

KATRIN ist das empfindlichste Instrument zur Messung einer Masse. Neutrino-Massen von nur 10^-36 kg würden mit KATRIN gemessen werden. Dies wird durch die spektroskopische Energiemessung der Beta-Elektronen aus dem Tritium-Beta-Zerfall mit dem KATRIN-Spektrometer erreicht. Die bei einem Beta-Zerfall (z. B. Tritum ³H) freigesetzte feste Energiemenge wird auf das Elektron, das Neutrino und den Kernrückstoß (z. B. ³He) übertragen. Wenn wir nun nach den maximalen Energien der Elektronen suchen und die gemessenen Werte mit der Übergangsenergie vergleichen, können wir prüfen, ob diese sich jeweils mit dem bekannten Kernrückstoß zur Übergangsenergie summieren. Wenn es keinen Unterschied gibt muss das Neutrino masselos sein, und wenn es einen Unterschied gibt kann diese Energielücke mit Einsteins berühmter Formel in eine Neutrinomasse übersetzt werden. In der Praxis stellt sich dies natürlich als etwas komplizierter heraus, da wir molekulares Tritium haben, das sich zusätzlich drehen und vibrieren kann. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass die Übergangsenergie aus der Theorie nicht bekannt ist und auch aus der Messung abgeleitet werden muss. Trotzdem ist das Tritiumspektrum an seinem Endpunkt zusammen mit einigen theoretischen und experimentellen Korrekturen auf einem so guten Niveau bekannt, dass diese Art der Messung als allgemeingültige Methode zur Bestimmung der Neutrinomasse angesehen wird. Diese Modellunabhängigkeit macht KATRIN für die Teilchenphysik und Kosmologie so wertvoll. Die experimentellen Herausforderungen sind eine Tritiumquelle mit ausreichenden Beta-Zerfällen nahe dem Endpunkt, wo dieses Prinzip nur funktioniert, und ein Spektrometer, das die kinetische Energie der Elektronen mit einer Genauigkeit von 10^-5 misst. Das KATRIN-Experiment vereinheitlicht diese Anforderungen und veröffentlichte 2019 seine ersten Ergebnisse.