Das Unverhältnismäßige steckt schon in diesem Teilchen. Neutrino: kleines Neutron. Klingt putzig, dabei sprechen wir vom häufigsten Elementarteilchen überhaupt – einem, das Galaxien formt und hinter der Bewegung im Universum steckt und von dem Forscher sich erhoffen, einst zu verstehen, warum es überhaupt etwas gibt und nicht einfach nichts. Genauer: warum nach dem Urknall ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstanden ist, anstelle eines Gleichgewichts, das sich dann ja auch gleich wieder ausgelöscht hätte ...

Neutrinos sind so wahnsinnig häufig, dass es jedes Vorstellungsvermögen sprengt. Milliarden von ihnen durchdringen, von der Sonne kommend, jede Sekunde jeden Menschenkörper. Selbst Uralt-Neutrinos vom Urknall sind noch so häufig, dass jeder Kubikzentimeter des Universums im Durchschnitt 350 von ihnen enthält. Durchdringen sie eine ausgestreckte Hand, dann passiert – nichts. Denn Neutrinos lassen sich nicht zu Interaktionen mit gewöhnlicher Materie herab. Sie rasen einfach hindurch. Durch Sterne, Planeten, Bäuche. "Geisterteilchen" werden sie deshalb genannt. Zumindest wurden sie so genannt, solange die naheliegende Annahme galt, die Unfassbaren seien masselos. Das aber sind sie offenbar doch nicht, wie die Physiker inzwischen wissen. Viel mehr ist allerdings nicht bekannt. Nur dass das häufigste Elementarteilchen unserer Welt auch das leichteste ist.

Jetzt soll das Unverhältnismäßige gewogen werden. Und es ist noch nicht einmal klar, ob dabei etwas herauskommt oder am Ende der Messung nur die Einsicht steht, dass Neutrinos noch leichter sind, als momentan messbar ist.

Immerhin: Der Moment, der die Grenze des Feststellbaren verschieben soll, steht unmittelbar bevor. Am 11. Juni wird am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein gigantischer Apparat mit dem sympathischen Namen Katrin eingeweiht; er übertrifft die Messempfindlichkeit bisheriger Anlagen um den Faktor hundert.

Passenderweise treffen sich alle, die in der Neutrinoforschung etwas zählen, derzeit in Heidelberg zur XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics. Von dort aus werden die Fachleute am Montag kommender Woche eine Exkursion nach Karlsruhe unternehmen, um sich anzuschauen, wie unter anderem zwei Nobelpreisträger den Startschuss geben, Arthur McDonald aus Kanada und Takaaki Kajita aus Japan. Wahrscheinlich wird die Katrin-Einweihung auch in den Fernsehnachrichten laufen, vermutlich als bunte Forschungsmeldung mit dem Superlativ "genaueste Neutrinowaage der Welt" oder "reinstes Vakuum auf der Erde". Beides stimmt. Aber um das Extrem-Experiment wirklich zu verstehen, sind weniger seine Rekorde geeignet als eher seine Kuriositäten. Hier sind die fünf wichtigsten:

1. Es werden gar keine Neutrinos gewogen

Wie auch, wenn diese Elementarteilchen wie Geister durch alles hindurchflutschen? Die Karlsruher Physiker haben es auf die Begleiter ihrer Forschungsobjekte abgesehen. Zerfallen Atome des Wasserstoff-Isotops Tritium zu Helium, so werden zeitgleich ein Neutrino und ein Elektron freigesetzt ("Betazerfall"). Tritium steckt auch im Namen Katrin: Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Und die Elektronen als ungleiche Geschwister der entstandenen Neutrinos lassen sich im Gegensatz zu den Geistern ganz gut messen.

2. Das Neutrino ist der Floh im Teilchenzoo

Beim Betazerfall des Tritiums wird Energie freigesetzt, die sich dann auf die beiden Partikel aufteilt. "Interessant für uns sind die Fälle, in denen das Elektron alles bekommt und das Neutrino nichts. Das ist dann sozusagen ein nacktes Neutrino, das nur seine Masse hat", sagt Guido Drexlin, einer der beiden Projektleiter von Katrin. Da die ursprünglich freigesetzte Energie bekannt ist, kann man dann von der Bewegungsenergie des Elektrons auf die Masse des nackten Neutrinos schließen.

"Bei direkten Messungen der Neutrino-Oszillation sehen wir nur die Masseunterschiede", erklärt Arthur McDonald. Vor drei Jahren erhielt er just für die Entdeckung solcher Oszillationen den Nobelpreis. Erst durch sie war klar, dass Neutrinos überhaupt eine Masse haben. "Mit den Elektronen aus dem Tritium-Betazerfall bei Katrin wird eine absolute Massebestimmung möglich, ein wichtiges Resultat." Wenn diese Messungen in fünf Jahren abgeschlossen sind, wird man die Masse der Geisterteilchen genauer eingrenzen können als bisher. Die Einheit, in der die Physiker sie angeben, ist die Mini-Masseeinheit Milli-Elektronenvolt (meV). "Allein dies zeigt schon", sagt Drexlin, "dass Neutrinos eine Sonderstellung im Teilchenzoo einnehmen. Alle anderen Teilchenmassen werden in Einheiten angegeben, die typischerweise viele Milliarden Mal größer sind."

So funktioniert der Neutrinozähler

Die Idee hinter dem Katrin-Experiment ist einfach. Weil Neutrinos zu flüchtig sind, können Physiker ihre Masse nicht auf direktem Weg messen. Stattdessen führen sie einen indirekten Nachweis durch: Am Anfang des 70 Meter langen Versuchsaufbaus strömt Tritium in ein Vakuumrohr. Tritium ist ein radioaktives Wasserstoffatom mit zwei Neutronen. Beim radioaktiven Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino um. Statt nun zu versuchen, das Neutrino einzufangen, messen die Physiker die Bewegungsenergie des Elektrons. Dieses ist elektrisch geladen, mindestens 250.000-mal so schwer wie das Neutrino und viel einfacher nachzuweisen. Aus der Energieverteilung der Elektronen lässt sich dann die Masse des Neutrinos bestimmen . Die Kunst besteht darin, alle Elektronen, die sonst im Experiment herumflitzen, aus der Apparatur herauszufiltern. Dafür werden die Teilchen von einem Magnetfeld durch die 23 Meter lange Vakuumkammer geführt. Dort müssen sie ein elektrisches Feld überwinden. Nur die schnellsten schaffen es auf die andere Seite – etwa vier Elektronen pro Stunde. (rau)

© ZEIT-Grafik

3. Das Messinstrument musste einen Umweg von 8.400 Kilometern nehmen

Um etwas so Kleines zu messen, ist Hardware in Übergröße nötig. Das mächtigste Bauteil Katrins ist die 23 Meter lange Vakuumkammer mit einem Durchmesser von zehn Metern. Hier, in absoluter Leere, abgeschirmt vom Magnetfeld der Erde, werden durch ein System stärker werdender magnetischer Spulen alle störenden Elektronen aus der Tritiumquelle aussortiert, bis nur noch die stärksten übrig bleiben, die zusammen mit einem nackten Neutrino entstanden sind. Einzig sie schaffen es bis zum Detektor am Ende des Tanks (siehe Grafik).