Neutrinomasse
Dass Neutrinos Masse besitzen, ist seit 1998 belegt. Wie groß sie ist, weiß bis heute niemand. Man kennt nur Ober- und Untergrenzen — und die liegen weit auseinander.
Es ist die einzige Teilchenmasse im Standardmodell, die unbestimmt geblieben ist.
Was die Oszillation verrät — und was nicht
Die Neutrinooszillation beweist die Masse, weil ein masseloses Teilchen sich nicht umwandeln könnte. Aber sie liefert nur Differenzen von Massenquadraten, nie Absolutwerte:
| Größe | gemessener Wert |
|---|---|
| Δm²₂₁ | rund 7,5 × 10⁻⁵ eV² |
| Δm²₃₁ | rund 2,5 × 10⁻³ eV² |
Aus diesen Differenzen folgt eine Untergrenze: Der schwerste der drei Zustände muss mindestens rund 0,05 Elektronenvolt wiegen. Weniger geht nicht, sonst passten die Abstände nicht.
Nach oben sagen sie nichts. Alle drei Massen könnten auch bei einem Elektronenvolt liegen, mit denselben kleinen Abständen dazwischen.
Drei Wege zur Antwort
Der kinematische Weg. KATRIN vermisst das obere Ende des Elektronenspektrums beim Betazerfall von Tritium. Hat das Neutrino Masse, endet das Spektrum ein winziges Stück früher. Dieser Weg kommt ohne Modellannahmen aus und beruht allein auf Energie- und Impulserhaltung.
Stand 2025: unter 0,45 Elektronenvolt. Ziel der Anlage sind 0,2.
Der Weg über den Doppelbetazerfall. Findet man den neutrinolosen Doppelbetazerfall, so lässt sich daraus eine effektive Masse ableiten. Der Haken: Das funktioniert nur, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist — der Weg setzt also voraus, was er mitbeweisen soll.
Der kosmologische Weg. Neutrinos waren im frühen Weltall so zahlreich, dass ihre Masse die Entstehung der großräumigen Strukturen beeinflusst hat. Aus der Verteilung der Galaxien und aus dem Mikrowellenhintergrund folgen Grenzen für die Summe aller drei Massen, die schärfer sind als alles im Labor — allerdings hängen sie vom zugrunde gelegten kosmologischen Modell ab.
Die drei Wege sind unabhängig voneinander. Kämen sie zu unvereinbaren Ergebnissen, wäre das selbst ein Fund.
Die offene Reihenfolge
Neben dem Betrag ist auch die Anordnung unbekannt.
Bei der normalen Ordnung sind zwei Zustände leicht und einer deutlich schwerer. Bei der invertierten ist es umgekehrt. Beide vertragen sich mit allen bisherigen Messungen.
JUNO soll das aus der feinen Wellenstruktur im Spektrum der Reaktorneutrinos entscheiden, DUNE über den MSW-Effekt beim Durchgang durch die Erdkruste.
An der Antwort hängt mehr als eine Ordnungszahl. Bei invertierter Anordnung wäre der neutrinolose Doppelbetazerfall deutlich leichter zu finden — bei normaler könnte er auf absehbare Zeit unerreichbar bleiben.
Warum die Kleinheit selbst ein Rätsel ist
Das Elektron, das leichteste geladene Teilchen, wiegt 511.000 Elektronenvolt. Ein Neutrino wiegt mindestens eine Million Mal weniger.
Alle anderen Massen im Standardmodell liegen innerhalb weniger Größenordnungen beieinander. Die Neutrinos fallen aus dem Rahmen — und zwar so weit, dass ein Zufall als Erklärung niemanden zufriedenstellt.
Der bekannteste Erklärungsversuch ist der Seesaw-Mechanismus: Die Winzigkeit wäre der Schatten sehr schwerer, bislang unbeobachteter Partnerteilchen.
Warum der Betrag zählt
Neutrinos sind so zahlreich, dass selbst eine winzige Masse ins Gewicht fällt. Rechnet man alle Neutrinos im beobachtbaren Weltall zusammen, so tragen sie je nach Masse etwa so viel bei wie alle sichtbaren Sterne — oder deutlich mehr.
Damit ist die Neutrinomasse eine Größe der Kosmologie und der Teilchenphysik zugleich. Das ist selten, und es erklärt, warum so verschiedene Fachgemeinden darauf warten.
Verwandte Begriffe
- KATRIN — die direkte Messung
- Seesaw-Mechanismus — der Erklärungsversuch
- Doppelbetazerfall — der zweite Zugang
- JUNO — die Frage der Reihenfolge
Quellen
- KATRIN-Kollaboration: Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations.