/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Nach mehr als acht Jahren Betrieb hat das KATRIN-Experiment seine Messkampagnen zur Bestimmung der Neutrinomasse abgeschlossen. Nachdem der Fokalebenendetektor nun abgeschaltet wurde, wird das Experiment auf eine neue Phase vorbereitet: die Suche nach sterilen Neutrinos im keV-Massenbereich mit dem TRISTAN-Detektor.
Das Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment (KATRIN) untersucht die Neutrinomasse, indem es das Energiespektrum der Elektronen analysiert, die beim Betazerfall von Tritium freigesetzt werden. Durch die präzise Vermessung der Spektrums in der Nähe seines Endpunkts kann das Experiment die Neutrinomasse mit beispielloser Empfindlichkeit bestimmen. Mit dem TRISTAN-Detektor wird KATRIN diesen Ansatz auf einen anderen Energiebereich ausweiten, um nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Von besonderem Interesse sind dabei die winzigen, aber charakteristischen Spuren, die hypothetische sterile Neutrinos mit Massen im keV-Bereich im Energiespektrum hinterlassen könnten.
Falls sie existieren, würden sterile Neutrinos eine zusätzliche Neutrinoart neben den drei bekannten Arten bilden: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Anders als diese bekannten Neutrinos würden sterile Neutrinos nicht direkt über die schwache Wechselwirkung wechselwirken, könnten aber mit den bekannten Neutrinoarten mischen. Ihre Entdeckung könnte neue Wege zur Erforschung von Physik jenseits des Standardmodells eröffnen und Aufschluss über die Natur der Dunklen Materie geben, für die sterile Neutrinos mögliche Kandidaten sind.
Bei dem KATRIN-Kollaborationtreffen vom 7. Oktober wurde beschlossen, den Übergang von der Messphase zur Bestimmung der Neutrinomasse zur TRISTAN-Phase einzuleiten. Auch die begleitenden Kalibrierungs- und Charakterisierungsmessungen wurden abgeschlossen. Sie tragen dazu bei, systematische Unsicherheiten zu quantifizieren und die Zuverlässigkeit von KATRINs Präzisionsergebnis abzusichern. Am darauffolgenden Tag, dem 8. Oktober 2026, wurde der Fokalebenendetektor nach 1.974 Betriebstagen abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt hatte er 8.993.005.841 kB an Daten gesammelt.
Der TRISTAN-Detektor
Die Suche nach sterilen Neutrinos mit KATRIN erfordert einen Detektor, der Elektronenenergien aus dem Betazerfall über einen größeren Energiebereich messen und deutlich höhere Zählraten bewältigen kann als bei den bisherigen Neutrinomassenmessungen von KATRIN. TRISTAN wurde entwickelt, um diese hohen Anforderungen mithilfe modernster Silizium-Drift-Detektoren zu erfüllen.
Die Detektorhardware wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) und dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (HLL) erfolgreich entwickelt und getestet.
Ein Jahrzehnt in der Entwicklung
Für MPIK-Direktorin Prof. Susanne Mertens, die das TRISTAN-Konzept zu Beginn ihrer wissenschaftlichen Laufbahn am Max-Planck-Institut für Physik in München maßgeblich vorangetrieben hat, ist dieser Übergang ein besonders bedeutender Meilenstein.
„Dass zehn Jahre Forschung und technische Entwicklung nun zusammenkommen und die Suche nach sterilen Neutrinos der Realität näher rückt, macht diesen Moment für mich zu etwas ganz Besonderem“, sagt Mertens.
Als Nächstes werden der bestehende Detektor und die zugehörigen Systeme außer Betrieb genommen, um Platz für die Installation und Integration von TRISTAN zu schaffen, die für das Frühjahr 2027 geplant sind. Wenn alles nach Plan verläuft, könnten im Laufe des Jahres 2027 die ersten Daten zur Inbetriebnahme und Charakterisierung des Detektors aufgenommen werden. Die ersten wissenschaftlichen Daten werden gegen Ende des Jahres erwartet.
Diese Messungen werden die Leistungsfähigkeit des Detektors bestimmen und die Suche nach sterilen Neutrinos vorbereiten. Indem KATRIN nun über die Präzisionsmessung der Neutrinomasse hinausgeht, steht das Experiment kurz davor, seine Suche nach Physik jenseits des Standardmodells aufzunehmen. Wir sind gespannt, welche neuen Erkenntnisse diese nächste Phase bringen wird.
