KATRIN

KATRIN — das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment — misst die Masse des Neutrinos. Nicht über Umwege, sondern unmittelbar: durch das genaue Vermessen eines Betazerfalls.

Die Anlage steht am Karlsruher Institut für Technologie und liefert seit 2019 die weltweit schärfsten Obergrenzen.

Warum eine direkte Messung nötig ist

Die Neutrinooszillation beweist, dass Neutrinos Masse besitzen — aber sie liefert nur Differenzen von Massenquadraten, nie Absolutwerte. Man weiß, dass die drei Zustände unterschiedlich schwer sind, nicht aber, wie schwer.

Die Kosmologie liefert Grenzen aus der Verteilung der Materie im Weltall, doch diese hängen von Modellannahmen ab.

KATRIN geht einen dritten Weg, der ohne solche Annahmen auskommt und nur auf Energie- und Impulserhaltung beruht.

Das Prinzip

Beim Zerfall von Tritium entstehen ein Heliumkern, ein Elektron und ein Antineutrino. Die frei werdende Energie verteilt sich zwischen Elektron und Antineutrino.

Am oberen Ende des Elektronenspektrums, wo das Elektron fast die gesamte Energie erhält, bleibt für das Antineutrino kaum etwas übrig. Hat dieses eine Masse, so muss mindestens die dafür nötige Energie aufgebracht werden — und das Spektrum endet ein winziges Stück früher, als es sonst täte.

Dieses Stück ist die gesuchte Größe. Es geht um Bruchteile eines Elektronenvolts bei einer Gesamtenergie von 18,6 Kiloelektronenvolt — und um den Bereich, in dem nur etwa ein Zerfall von einer Billion überhaupt landet.

Tritium wird verwendet, weil es eine sehr niedrige Zerfallsenergie und eine einfache Kernstruktur hat. Beides erhöht die Empfindlichkeit.

Der Aufbau

Die Anlage ist rund 70 Meter lang. Am einen Ende steht die Tritiumquelle, in der das Gas bei 30 Kelvin strömt. Am anderen Ende ein Detektor.

Dazwischen liegt das Hauptspektrometer: ein Vakuumbehälter von 23 Metern Länge und 10 Metern Durchmesser, 200 Tonnen schwer. Er arbeitet als elektrostatisches Filter — nur Elektronen oberhalb einer einstellbaren Energie kommen hindurch. Verschiebt man diese Schwelle Schritt für Schritt, vermisst man das Spektrum.

Im Inneren herrscht ein Vakuum von 10⁻¹¹ Millibar, eines der besten in einem Behälter dieser Größe weltweit — vergleichbar mit den Bedingungen im erdnahen Weltraum.

Die Reise des Spektrometers

Der Behälter wurde in Deggendorf an der Donau gebaut. Bis zum Ziel in Karlsruhe sind es Luftlinie etwa 400 Kilometer.

Auf der Straße war das nicht zu machen: Der Tank passte durch keine Unterführung und durch keine Ortsdurchfahrt. Also ging er per Schiff — die Donau hinab, über das Schwarze Meer, durch das Mittelmeer, um die Iberische Halbinsel, den Ärmelkanal hinauf und den Rhein hinunter. Rund 8.600 Kilometer für 400 Kilometer Luftlinie.

Die letzten Meter durch Leopoldshafen waren die schwierigsten. Zwischen Häusern blieben wenige Zentimeter Spielraum; tausende Schaulustige säumten die Strecke. Die Bilder dieser Fahrt sind bis heute die bekanntesten der Anlage.

Die Ergebnisse

Jede dieser Zahlen war zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung die schärfste weltweit. Das Ziel der Anlage liegt bei etwa 0,2 Elektronenvolt.

Ein Nichtfund ist hier kein Misserfolg. Jede gesenkte Grenze schließt Modelle aus — und je näher man dem Bereich kommt, den die Oszillationsmessungen nahelegen, desto enger wird der Raum für Erklärungen wie den Seesaw-Mechanismus.

Verwandte Begriffe

• Neutrinomasse — die gesuchte Größe
• Betazerfall — der genutzte Vorgang
• Seesaw-Mechanismus — warum sie so klein ist
• Doppelbetazerfall — der andere Zugang zur Masse

Quellen

• KATRIN-Kollaboration: Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
• KATRIN-Kollaboration: Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity, Nature Physics 18, 160 (2022).