Das Mainzer Neutrinomassen-Experiment          
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Einführung


Anmerkung: Eine speziell fuer Oberstufenschüler geeignete Einführung in die Neutrinophysik gibt der Vortrag von Dr. Ch. Weinheimer:
"Unfaßbare Teilchen? Neutrinos von der Sonne und auf der Erde"


Noch bis vor kurzem nahm man an, Neutrinos, 3 der 12 elementaren Fermionen, aus denen die Materie aufgebaut ist, seien masselose Teilchen. Jüngste Ergebnisse jedoch, welche aus Experimenten mit atmosphärischen und solaren Neutrinos [1] gewonnen wurden, deuten auf die Existenz von Neutrinooszillation hin und somit auf von Null verschiedene Neutrinomassen. Obgleich wir nun wissen, dass Neutrinos Masse besitzen, wissen wir noch immer nicht, wie groß diese sind. Der Grund dafür ist, dass diese Oszillations-Experimente lediglich sensitiv auf Differenzen zwischen Massenquadraten (und Mischnungsparameter) verschiedener Neutrinos sind, aber nicht auf ihre absolute Massen. Auf der anderen Seite ist es nicht nur für die Teilchenphysik, sondern auch für die Kosmologie wichtig, die Werte der Neutrinomassen zu kennen:
  • Teilchenphysik
    Wir haben ein sehr genaues Verständnis der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen durch das sogenannte Standardmodell. Die Neutrinos werden in diesem Model als masselos beschrieben. Aber dieses Standardmodell erklärt weder die Struktur der Fermionmassen noch die Mischung zwischen den Quarks (6 der 12 elementaren Fermionen). Die Parameter, die die Massen und die Mischungen beschreiben, müssen experimentell bestimmt werden. Diese unbefriedigende Situation fordert eine erweiterte Theorie, die über das Standardmodell hinausgeht. In fast allen dieser neuen Theorien bekommen Neutrinos automatisch Masse in Übereinstimmung mit den oben genannten experimentellen Ergebnissen. Da Neutrinos aber viel leichter als die anderen Fermionen sind, sind ihre Massen ganz besonders interessant für diese Theorien. Das Wissen der Neutrinomassen und ihre Mischung könnte uns helfen, die richtige theoretische Beschreibung unter allen möglichen Theorien zu finden. Von besonderem Interesse ist hierbei die Frage, ob Neutrinomassen hierarchisch



    oder nahezu degeneriert


    sind. Im zweiten Fall sind die kleinen Differenzen zwischen den nahezu gleichen Neutrinomassen die Ursache für die anhand der atmosphärischen und solaren Neutrinos schon beobachteten Oszillationen. Auf der Basis der beobachteten Differenzen der Massenquadrate können diese Fälle jedoch nicht unterschieden werden. Um das Problem zu lösen, ist eine Sensitivität auf Neutrinomassen von 1 eV/c²  notwendig.

  • Kosmologie
    Nach der Urknalltheorie gibt es im Universum eine riesige Anzahl an Neutrinos, ähnlich zu den Photonen der sogenannten kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die man bereits vor über 30 Jahren entdeckt hatte. Das Verhältnis dieser verbliebenen Neutrinos zur Zahl der Atome beträgt etwa eine Milliarde zu eins, daher sind selbst sehr kleine Neutrinomassen von großer Bedeutung. Aus verschiedenen Beobachtungen heraus wissen wir, dass eine sehr große Menge an nicht sichtbarer, sogenannter dunkler Materie mehr zur Gesamtmasse im Universum beträgt als alle Sterne zusammen, sogar mehr als alle Atome im ganzen Universum. Für die noch immer offenen Fragen der Strukturbildung und der Evolution des Universums ist es sehr interessant zu wissen, ob Neutrinos signifikant zu dieser dunklen Materie beitragen oder nicht. Auch die Antwort darauf macht eine Sensitivität auf Neutrinomassen 1 eV/c²  notwendig.
Der einzige Weg, Neutrinomassen ohne die Notwendigkeit weiterer Annahmen zu evaluieren, sind die sogenannten direkten Massenbestimmungen. Die Untersuchung des Endpunktsbereich im Tritium--Spektrum ist hierbei die sensitivste Methode: Tritium wandelt sich im -Zerfall in ein Helium-Ion um, wobei es ein Elektron-Antineutrino und ein Elektron emittiert. Das Spektrum der Elektronenenergien, das sogenannte -Spektrum, ist sensitiv auf den Wert der Elektron(anti-)Neutrinomasse an seinem oberen Ende bei E0 = 18.6 keV (s. Abb. 1). Die Messung der Neutrinomasse ist daher nichts anderes als eine extrem präzise Bestimmung der Form des -Spektrums über einen kleinen Bereich unterhalb des Endpunkts E0.