KATRIN

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Vakuumtank am Schwerlastkran unmittelbar nach dem Absetzen auf die zwei gekoppelten Tieflader
Transport durch den Ort Leopoldshafen

Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) hat die direkte Bestimmung der Masse des Elektron-Antineutrinos zum Ziel. Das Experiment wird zur Zeit (2013) im Karlsruher Institut für Technologie aufgebaut und wird frühestens 2015 den Messbetrieb aufnehmen.

KATRIN soll das Betaspektrum des Zerfalls von Tritium im Bereich seiner Höchstenergie mit einer Empfindlichkeit von 0,2 eV vermessen. Damit wird KATRIN die früheren gleichartigen Experimente in Mainz und Troizk um eine Größenordnung übertreffen; diese hatten für die Masse eine Obergrenze von 2,1 eV geliefert.

Motivation[Bearbeiten]

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurden die bekannten Neutrinoarten νe, νμ und ντ zunächst als masselos angenommen. Verschiedene Experimente mit atmosphärischen (Super-Kamiokande), solaren (GALLEX, Homestake, SNO) und Reaktor-Neutrinos (Double-Chooz) weisen aber darauf hin, dass die Neutrino-Ruhemasse von Null verschieden ist. Alle diese Experimente weisen Neutrinooszillationen nach und messen daher Massenquadrats-Abstände wie \Delta m_{12}^2, nicht aber die absoluten Neutrinomassen. Experimente wie KATRIN und seine Vorgängerexperimente ermöglichen dagegen die Bestimmung der absoluten Massen m_{1,2,3} der sogenannten Massen-Eigenzustände, die mit den messbaren Massen von e-, µ- und τ-Neutrino über die Maki-Nakagawa-Sakata-Mischungsmatrix zusammenhängen.

Die genaue Kenntnis der Neutrinomasse ist erforderlich, um zwischen den vielen unterschiedlichen Modellen zu entscheiden, mit denen versucht wird, den Neutrinos über das bisherige Standardmodell hinausgehend eine Masse zu verleihen. Das Ergebnis kann auch Aufschluss darüber geben, in welchem Ausmaß Neutrinos als „heiße dunkle Materie“ (HDM) zur Entstehung großskaliger Strukturen im Universum beigetragen haben.

Die Kenntnis der Masse eines der drei Massen-Eigenzustände wird es auch ermöglichen, drei mögliche Varianten des Neutrinomassenspektrums zu unterscheiden:

  • Normale Hierarchie:  m_1 \ll m_2 < m_3
  • Invertierte Hierarchie:  m_3 \ll m_1 < m_2
  • Quasi-degenerierte Hierarchie:  m_1 \approx m_2 \approx m_3 \approx m_0 \quad\text{mit}\; m_0 = 0{,}10\,\text{eV}

KATRIN stößt damit als erstes Experiment in den Bereich der quasi-degenerierten Hierarchie vor.

Durchführung[Bearbeiten]

Energiespektrum der beim Tritium-Betazerfall emittierten Elektronen. Es sind drei Graphen für verschiedene Neutrinomassen dargestellt. Nur im Bereich des hochenergetischen Endpunktes laufen die Kurven auseinander; der Schnittpunkt mit der Abszisse hängt von der Neutrinomasse ab. Bei KATRIN wird der Energiebereich um den Endpunkt vermessen, um die Neutrinomasse zu bestimmen. Das Diagramm verdeutlicht außerdem die äußerst geringe Zählrate im vermessenen Energiebereich, die lange Messzeiten erfordert, um aussagekräftige Ergebnisse zu erreichen.

Ausgangspunkt des Experiments ist der Tritium-Betazerfall, bei dem ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert werden. Die Zerfallsenergie von 18,6 keV wird dabei zwischen beiden Teilchen aufgeteilt. Falls das Neutrino masselos ist, gibt es keine untere Grenze für die Neutrinoenergie, und das Energiespektrum der emittierten Elektronen reicht bis zum Maximum von 18,6 keV. Bei von Null verschiedener Neutrinomasse muss das Neutrino dagegen mindestens seine Ruheenergie E = mc^2 tragen, so dass diese Energie im Elektron-Energiespektrum fehlt. Durch genaue Vermessung des Spektrums nahe der Maximalenergie lässt sich die Neutrinomasse über die Differenz zwischen theoretischer Kurve (für m_\nu = 0) und dem gemessenen Spektrum bestimmen.

Für das Experiment sind ausschließlich Elektronen nützlich, die mit fast maximaler Energie von der Tritiumquelle emittiert werden. Niederenergetische Elektronen werden deshalb herausgefiltert. Die Energie von etwa 18,6 keV muss auf etwa 1 eV genau gemessen werden, also mit einer Energieauflösung von besser als 0,005 Prozent. Dies kann mit einfachen Teilchendetektoren nicht erreicht werden. Stattdessen werden vor dem eigentlichen Detektor zwei hintereinander angeordnete Spektrometer verwendet, die gemeinsam diese hohe Auflösung erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Luminosität gewährleisten. Beide Spektrometer arbeiten als sogenannte MAC-E-Filter (Magnetic Adiabatic Collimation combined with an Electrostatic Filter), in denen durch eine Gegenspannung die Elektronen nach ihrer Energie selektiert werden. Im kleineren Vorspektrometer wird durch eine Spannung im Bereich von −18 kV der Elektronenfluss bereits stark reduziert; die Spannung im Hauptspektrometer wird für die Vermessung des Spektrums im Bereich von −18,6 kV variiert. Dabei soll insgesamt eine Energieauflösung von 0,93 eV erreicht werden. Das Hauptspektrometer nutzt supraleitende Magnetspulen, die eine magnetische Flussdichte von mehreren Tesla erreichen[1]

Der zum Nachweis der Elektronen eingesetzte Detektor besitzt nur eine Energieauflösung von 200 eV. Wegen der vorherigen Energieselektion ist hier keine besonders hohe Auflösung notwendig, und die geringere Auflösung hilft bei der Unterdrückung von Untergrundsignalen.

Der Elektronenfluss reduziert sich durch die beiden Filter von 1010 e/s an der Tritiumquelle auf etwa 1 e/s am Detektor. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erreichen, werden daher mehrere Messperioden mit einer Länge von jeweils drei Monaten nötig sein, in denen vor allem die Gegenspannung im Spektrometer auf wenige ppm genau aufgezeichnet werden muss.

Um Verfälschungen der Messung durch nicht aus dem Tritium-Betazerfall stammende Elektronen zu verhindern – etwa aus der kosmischen Strahlung – ist das gesamte Hauptspektrometer innen mit einer doppelten Abschirmelektrode ausgekleidet. Die an diesen Elektroden anliegende Spannung ist etwas kleiner als die an der Tankwand anliegende, das heißt etwa −18,6 kV gegenüber −18,4 kV an der Wand. Durch diese Gegenspannung werden aus der Wand herausgelöste Elektronen abgebremst und dringen nicht bis zum Detektor vor.

Sonstiges[Bearbeiten]

Der 200 t schwere, 24 m lange Vakuumtank mit einem Durchmesser von 10 m für das KATRIN-Hauptspektrometer wurde von der MAN DWE GmbH in Deggendorf bei Regensburg hergestellt. Das Experiment wird jedoch im Karlsruher Institut für Technologie aufgebaut und durchgeführt, da sich dort mit dem Tritium-Labor im KIT Campus Nord (ehemals Forschungszentrum Karlsruhe) die europaweit einzige für das Experiment geeignete Tritiumquelle befindet. Der Tank war allerdings zu groß, um über Autobahnen transportiert werden zu können. Er wurde über die Donau, durch das Schwarze Meer, das Mittelmeer, den Atlantik, den Ärmelkanal, die Nordsee und über den Rhein nach Leopoldshafen bei Karlsruhe per Schiff und schließlich am 25. November 2006 auf den letzten 6,8 km per Tieflader-Schwertransport in viereinhalb Stunden durch Leopoldshafen zum Forschungszentrum gebracht. Dieser Umweg betrug ca. 8600 km gegenüber der kürzeren Route mit 350 km auf dem Landweg.

Literatur[Bearbeiten]

  • KATRIN Collaboration: KATRIN Design Report 2004. Forschungszentrum Karlsruhe, Bericht FZKA-7090 (2005), ISSN 0947-8620
  • J. Wolf: The KATRIN neutrino mass experiment. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Bd. 623, S. 442-444 (2010)

Einzelnachweis[Bearbeiten]

  1. M. Zacher und Ch. Hahn: Die Neutrino-Waage kalibrieren. Physik Journal, Sonderheft "Best of", Okt. 2013, S. 24-26

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

49.0957178.436117Koordinaten: 49° 5′ 45″ N, 8° 26′ 10″ O