Ein Hauch von Nichts: Mit „kalten“ Detektoren der Neutrinomasse auf der Spur

Ihre Masse ist extrem gering, doch wie leicht sind Neutrinos wirklich? Eine internationale Kollaboration hat ihre Experimente zur Massebestimmung dieser auch als „Geisterteilchen“ bekannter Elementarteilchen nun optimiert. Dabei ist es gelungen, die bisher im Rahmen ähnlicher Messungen ermittelte Obergrenze der Neutrinomasse weiter nach unten zu korrigieren. Im Rahmen des „Electron Capture in Ho-163 Experiment“ (ECHo) nutzen die Wissenschaftler:innen dazu das Isotop Holmium-163 (Ho-163), das bei seinen Zerfallsprozessen Rückschlüsse auf die Neutrinomasse erlaubt.

Neutrinos sind Elementarteilchen mit extrem geringer Masse, die keine elektrische Ladung besitzen. Da sie nur sehr schwach mit Materie wechselwirken, ist es extrem schwierig, ihre Eigenschaften zu ermitteln. Das gilt insbesondere für die Neutrinomasse, die bisher nicht exakt gemessen werden konnte und nur als Obergrenze bekannt ist. Ihre genaue Bestimmung könnte aber den Weg ebnen für neue theoretische Modelle jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik – und damit zu einem besseren Verständnis der Entwicklung unseres Universums beitragen.

Weltweit arbeiten mehrere Forschungsgruppen daran, die Neutrinomasse durch die Analyse radioaktiver Zerfälle zu bestimmen. Die bislang niedrigste Obergrenze wurde im Rahmen des „Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“ (KATRIN) gemessen, das den radioaktiven Zerfall von Tritium untersucht. „ECHo wurde konzipiert, um die Ergebnisse aus dem KATRIN-Projekt zu ergänzen und künftig eine noch höhere Sensitivität zu erreichen“, erläutert Prof. Dr. Loredana Gastaldo, Wissenschaftlerin am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Der ECHo-Kollaboration, deren Sprecherin die Wissenschaftlerin seit 2011 ist, gehören Forschungsteams aus Heidelberg, Mainz, Darmstadt, Tübingen und Karlsruhe sowie aus Genf (Schweiz) und Grenoble (Frankreich) an.

Um die Neutrinomasse zu ermitteln, untersuchen die Forscherenden die Energie, die beim Zerfall von Holmium-163 freigesetzt wird. Bei diesem Zerfallsprozess „fängt“ ein Proton im Atomkern des radioaktiven Isotops ein Elektron ein. Durch die Wechselwirkung dieser beiden Teilchen entstehen ein Neutron sowie ein Neutrino. Während das Neutrino nicht direkt detektiert werden kann, bewirkt seine Masse dabei aber eine extrem geringe Veränderung in der Energieverteilung der gemessenen atomaren Anregungen. „Aus den winzigen Veränderungen im gemessenen Energiespektrum können wir Rückschlüsse auf die Neutrinomasse ziehen“, erklärt Prof. Gastaldo. Das Isotop Holmium-163 eignet sich besonders gut für diese Messungen, weil bei seinem Zerfall insgesamt nur sehr wenig Energie freigesetzt wird. Das bedeutet, dass selbst sehr kleine Schwankungen in der Spektralform mit geeigneten Detektoren nachgewiesen werden können.

Für die Untersuchungen der ECHo-Experimente kommen metallische Magnetkalorimeter zum Einsatz, die am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg entwickelt und hergestellt wurden. Sie sind nur etwa 200 Mikrometer groß und werden bei extrem tiefen Temperaturen von 20 Tausendstel Kelvin betrieben, so dass sich auch kleinste Energieunterschiede in Form von Temperaturschwankungen bemerkbar machen. Dank eines verbesserten Detektordesigns konnten bei dem nun durchgeführten Experiment erstmals etwa 200 Millionen solcher Holmium-163-Zerfallsprozesse beobachtet werden. Dabei wurde das radioaktive Holmium-163 direkt in die Detektoren eingebettet, um so systematische Fehler bei einer Messung mit getrennten radioaktiven Quellen und Detektoren zu reduzieren.

„Dieses Verfahren erhöht die Sensitivität der Messungen, allerdings könnten die Goldschicht, mithilfe derer das Holmium in die Detektoren eingebettet wird, einen Einfluss auf das Messergebnis haben“, erklärt Prof. Dr. Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK). „Aus diesem Grund haben wir am MPIK für die Endpunktsenergie eine Vergleichsmessung, die sich aus der Massendifferenz von Holmium-163 und Dysprosium-163 ergibt, in einer Ionenfalle durchgeführt und konnten bei der ECHo-Messung keine signifikanten Abweichungen feststellen“.

Die Wissenschaftler:innen konnten damit die Obergrenze der Neutrinomasse im Vergleich mit früheren ECHo-Messungen um etwa eine Größenordnung nach unten korrigieren – und um einen Faktor zwei gegenüber dem Ergebnis der HOLMES-Kollaboration, die ebenfalls Holmium-163 zur Bestimmung der Neutrinomasse verwendet und das bisher genaueste Ergebnis mit diesem Prozess erreichen konnte. „Dieses Ergebnis untermauert die Bedeutung der ECHo-Experimente und demonstriert, dass in Zukunft noch größer angelegte Untersuchungen unter Verwendung von Holmium-163 möglich sein werden“, betont Gastaldo. Dazu plant die Kollaboration, die Zahl der Detektoren von aktuell 100 auf 20.000 zu erweitern. Für dieses Projekt „Electron Capture in Ho-163 – Large Experiment“ (ECHo-LE) hat Gastaldo eine Förderung des Europäischen Forschungsrats (ERC), einen ERC Advanced Grant, erhalten. 

An den aktuellen Forschungsarbeiten haben Teams der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Universität Tübingen und des Karlsruher Instituts für Technologie mitgewirkt. Ebenfalls beteiligt waren Forschende des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf (Schweiz) sowie des Institut Laue-Langevin in Grenoble (Frankreich). Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen.

Originalpublikation:

F. Adam, et al.: Improved limit on the effective electron neutrino mass with the ECHo-1k experiment. Physical Review Letters (March 2026), https://doi.org/10.1103/lqkb-hylx

Weitere Informationen:

ECHo-Kollaboration – www.kip.uni-heidelberg.de/echo