KATRIN: Die leichtesten Teilchen des Universums wiegen

Neutrinos sind die leichtesten Elementarteilchen. Bekannt ist, dass sie eine sehr kleine Masse besitzen. Wie winzig sie genau ist, soll das Experiment KATRIN in Karlsruhe beantworten.

Blick ins Innere des Vakuumtanks von KATRIN: 23.000 feine Drähte durchziehen die 10 mal 24 Meter große Edelstahl-Zigarre. Hier wird die Geschwindigkeit von Elektronen genau vermessen und daraus die Masse der Neutrinos abgeleitet. Die Messung, die 2016 beginnt, wird fünf Jahre in Anspruch nehmen. © Michael Zacher

Die Elementarteilchenphysik kennt eine besonders exotische Teilchensorte: die Neutrinos. Sie entstehen bei Kernreaktionen und treten mit Materie fast gar nicht in Wechselwirkung. Milliarden von ihnen durchdringen unseren Körper in jeder Sekunde – völlig ungehindert und unbemerkt. Um die Eigenschaften der Neutrinos zu vermessen, muss ein gewaltiger technischer Aufwand betrieben werden.

Im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde dafür eine glänzende, dicke Edelstahl-Zigarre mit 10 Metern Durchmesser und 24 Metern Länge gebaut. Tatsächlich ist sie der größte Vakuum-Tank der Welt. In ihrem Innern werden Elektronen auf komplizierte Bahnen gelenkt. Elektronen sind die leichten Bestandteile der Atome und für die chemischen Bindungen verantwortlich. Letztlich kann man mit diesem sogenannten Spektrometer ihre Geschwindigkeit ganz genau vermessen.

Aus der Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen in der „Zigarre“ von KATRIN können die Forschenden auf die Masse der Neutrinos schließen. Bisher bekannt ist nur, dass sie unglaublich leicht sind: Würde man ein – ohnehin schon sehr leichtes – Elektron mit Neutrinos aufwiegen wollen, benötigte man mindestens eine Viertelmillion von ihnen!

Neutrinos sind die zweithäufigsten Teilchen im Universum. Noch heute bewegen sich fast alle Neutrinos, die jemals entstanden sind, durch das Weltall; nur wenige sind durch die seltenen Wechselwirkungen mit Materie in andere Teilchen umgewandelt worden. Allein wegen ihrer großen Anzahl könnten die Neutrinos die Entwicklung des Universums entscheidend beeinflussen.

KATRIN wurde seit 2001 unter Federführung des KIT und der Universität Münster aufgebaut. Aus Mitteln des Bundesforschungsministeriums wurden 50 der 60 Millionen Euro Baukosten von KATRIN aufgebracht. Der deutsche Anteil an KATRIN liegt insgesamt bei 93% der Kosten. Für die Jahre 2001 bis 2017 hat das Ministerium zusätzlich Mittel in Höhe von rund 9,6 Millionen Euro bereitgestellt und fördert damit Beiträge deutscher Universitäten zum KATRIN-Experiment als Verbundforschungsprojekte.

Das Konsortium des KATRIN-Experiments umfasst über 150 Fachleute und Studierende von 15 Instituten aus Deutschland, Großbritannien, Russland, Spanien, Tschechien und den USA, sowie vier angeschlossene Partnerinstitute aus Brasilien, Dänemark, Großbritannien und Russland.