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Menschen schicken Raumsonden ins All und berechnen Jahre im Voraus minutiös deren Kurs. Sie empfangen Daten, die aus einer Umlaufbahn in Milliarden Kilometern Entfernung gesendet wurden. Man könnte meinen, wir kennen und beherrschen unsere Welt perfekt. Aber das täuscht: Das Universum steckt noch immer voller Rätsel. Hauptrolle für ein Leichtgewicht |
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Wissenschaft
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Wir bezeichnen heute weit über 90 Prozent des Universums als Dunkle
Materie oder Dunkle Energie. Was in etwa bedeutet: So, wie sich das
Universum verhält, muss dort etwas sein. Aber niemand weiß, was das sein
könnte. Vielleicht machen Neutrinos, winzigste Elementarteilchen, einen
Teil der Dunklen Materie aus. Das hängt von ihrer Masse ab und die
kennen wir – noch - nicht. Kandidat für Dunkle Materie Astronomen etwa schließen aus der Ausdehnung des Universums, dass irgend etwas dort draußen sehr viel Schwerkraft erzeugen muss, für das aber sämtliche unserer Untersuchungsmethoden blind sind; sie nennen es Dunkle Materie. Vor zehn Jahren noch glaubten sie, dass Neutrinos die gesamte Dunkle Materie ausmachen könnten – die Vermutung ist nahe liegend, denn auch Neutrinos sind fast nicht wahrnehmbar für Messgeräte aller Art. Mit der heute bekannten Obergrenze für die Neutrino-Masse ist der mögliche Anteil an der Dunklen Materie aber bereits unter 50 Prozent gesunken. Eine andere, ungeklärte Frage aus der Kosmologie lautet: Wieso sind die Galaxien so extrem ungleichmäßig über das Universum verteilt? Warum hat sich die Materie nach dem Urknall nicht homogen verteilt? Neutrinos könnten einen großen Einfluss haben. Denn weil sie fast gar nicht mit anderer Materie wechselwirken, können sie Energie über große Strecken gleichmäßig durchs Universum transportieren. Wenn sie aber eine nennenswerte Masse haben, würden sie von schon bestehenden Materieklumpen angezogen und heterogene Strukturen weiter verstärken. Die zurzeit bekannte Obergrenze für die Neutrinomasse entspricht 2 Elektronenvolt. Das Karlsruher Forscherteam wird die Messgenauigkeit um einen Faktor zehn verbessern. Man könnte die Masse-Obergrenze also bis auf 0,2 Elektronenvolt herunterbekommen. Das ist spektakulärer, als es auf den ersten Blick scheinen mag, denn genau in diesem Bereich zwischen 0,2 und 2 eV verläuft die Grenze: Liegt die Masse des Neutrinos darüber, kann es der gesuchte Kandidat für die Strukturbildung im Universum sein und einen entscheidenden Beitrag zur Dunklen Materie liefern. Liegt sie darunter, ist das Neutrino im Prinzip aus dem Rennen. Experiment für nicht-messbare Teilchen Ein Neutrino lässt sich aber kaum messen. Und die Massen, um die es hier geht, liegen in der Größenordnung von Millionsteln einer Elektronenmasse. Ohne Geschick und einigen experimentellen Aufwand ist hier also ganz sicher nichts zu holen. Die Idee von KATRIN folgt dem Effekt, den Wolfgang Pauli schon 1930 beschrieb. Beim Beta-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton, gleichzeitig wird ein Elektron emittiert. Dieses Elektron ist allerdings manchmal schneller und manchmal langsamer, hat also entsprechend mehr oder weniger Energie. Sicher ist aber, dass beim Beta-Zerfall beispielsweise eines Tritium-Atoms immer die gleiche Gesamtenergie frei wird. Deshalb muss ein weiteres Teilchen entstanden sein, das den Energieunterschied zwischen der Elektronen- und der Gesamtenergie trägt: das Neutrino. Die Physiker bei KATRIN lassen Tritium-Atome zerfallen und messen, welche Energien die emittierten Elektronen haben. Sie kennen die Gesamtenergie, die entsteht. Wenn die Energie der Elektronen nun niemals an die Gesamtenergie herankommt, sondern immer mindestens um einen kleinen Betrag darunter bleibt, entspricht dieser kleine Betrag der gesuchten Masse des Neutrinos. Soweit die gut überschaubare Idee. High-Tech für den Winzling In der Praxis braucht man nicht nur eine 70-Meter lange Experimentieranlage mit einem 24-Meter-Spektrometer, sondern auch in jedem Abschnitt absolute Präzision und sehr viel HighTech. Das beginnt mit der Reinheit der Tritium-Quelle und endet mit der Elektronik des Spektrometers. Tritium ist ein natürliches, radioaktives Isotop, das mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren zu Helium zerfällt. Bei jedem einzelnen Beta-Zerfall entstehen jeweils ein Elektron und ein Neutrino. Bei KATRIN entschwindet das Neutrino sofort unentdeckt aus der Anlage. Das Elektron dagegen kann man ins Spektrometer lenken, um dort seine Energie zu messen. Auf dem Weg dorthin darf es nicht mit Gasmolekülen zusammenstoßen, es würde ja Energie verlieren. Deshalb herrscht in der gesamten Anlage ein extremes Vakuum – 10^-11 Millibar. Kältefallen und Vakuumpumpen sorgen dafür, dass auch die beim Zerfall entstandenen Helium-Atome aus der Anlage verschwinden. 40 supraleitende Magnete führen die Elektronen über Magnetfelder bis in das eigentliche Spektrometer. Hier schließlich treffen sie auf ihren Bezwinger: ein äußerst präzise eingestelltes elektrisches Feld, das ihnen entgegengerichtet ist. Es bremst sie ab. Nur Elektronen, deren Energie größer ist als die des Feldes, kommen am anderen Ende an und werden vom Detektor registriert. Wenn die KATRIN-Forscher die angelegte Spannung variieren und jeweils den Anteil ans Ziel gekommener Elektronen dagegen auftragen, haben sie genau ihr Energiespektrum und – hoffentlich – den kleinen Fehlbetrag, der der Neutrinomasse entspricht. Drei Jahre für die ultimative Antwort Das Forschungszentrum Karlsruhe bietet ideale Voraussetzungen für dieses Großexperiment. Nicht nur, dass es das europaweit einzige genehmigte Tritium-Labor beherbergt. Auch die langjährige Erfahrung mit Hochvakuum- und Kältetechnik und das Know-how beim Bau und Betrieb großer wissenschaftlicher Apparaturen kommen dem Projekt zugute. Die Realisierung von KATRIN hat inzwischen begonnen; die Gesamtapparatur ist voraussichtlich im Jahr 2008 für den Betrieb bereit. Drei Jahre lang wird KATRIN Daten sammeln – und kann dann endlich Auskunft geben, ob Astrophysiker und Kosmologen in ihren Modellen eine Neutrinomasse berücksichtigen müssen. Oder ob sie das Neutrino als Leichtgewicht ein wenig beiseite legen können. Auch die Grundlagen der Elementarteilchenphysik werden nicht unberührt bleiben: In dem seit Jahrzehnten ungemein erfolgreichen Standardmodell wird dem Neutrino noch die Masse null zugeschrieben. Inzwischen gibt es eine Vielzahl modifizierter und angepasster Modelle. Welche dieser Modelle weiter verfolgt werden und welche „in der Tonne“ landen – auch darüber wird der Ausgang von KATRIN bestimmen.
Neutrinos Geisterhafte Teilchen Etwa 60 Milliarden von ihnen rasen pro Sekunde durch die Kuppe eines Fingers. Wir spüren sie nicht, und selbst mit gigantischen Detektoren ist es extrem mühsam, hin und wieder eins zu registrieren. Neutrinos „sehen“ uns nämlich nicht. Sie haben eine extrem kleine Masse und werden deshalb kaum von der Gravitation beeinflusst. Sie sind elektrisch neutral, so dass die elektromagnetische Kraft nicht auf sie wirkt, und die Starke Kraft aus den Atomkernen wirkt ebenfalls nicht auf sie. Das bedeutet: Sie werden im Prinzip durch nichts gebremst. Nur eine der vier Kräfte, die wir kennen, betrifft sie: die Schwache Kraft. Die schwache Kraft ist zuständig für die Umwandlungen von Elementarteilchen. Zum Beispiel bei der Kernfusion in der Sonne, bei der die meisten Neutrinos erzeugt werden, die hier auf der Erde durch uns hindurchrasen. Neutrinos gehören nicht nur zu den elementaren Bausteinen unserer Welt. Auch in der Astrophysik sind sie heiß begehrte Objekte. Sie dienen als Informanten aus dem Inneren ferner Sterne, sie hängen mit der Dunklen Materie zusammen, die unser Universum zu einem großen Teil ausmachen soll, und vielleicht haben sie entscheidend zur Bildung von großräumigen Strukturen im Universum beigetragen. |
Jahresheft der Helmholtzgemeinschaft
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