Mit „kalten“ Detektoren der Neutrinomasse auf der Spur
Aktuelle Forschungsergebnisse der ECHo-Kollaboration als Grundlage für größer angelegte Experimente, um sich der Masse der "Geisterteilchen" weiter anzunähern
14.04.2026 |
Diese Meldung basiert auf einer Pressemitteilung der Justus-Liebig-Universität Mainz
Ihre Masse ist extrem gering, doch wie leicht sind Neutrinos wirklich? Eine Kollaboration deutscher und internationaler Forschungsgruppen, darunter auch das Helmholtz-Institut Mainz und GSI/FAIR, hat ihre Experimente zur Massebestimmung dieser „Geisterteilchen“ optimiert. Dabei ist es gelungen, die bisher im Rahmen ähnlicher Messungen ermittelte Obergrenze auf der Neutrinomasseskala weiter nach unten zu verschieben. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.
Im Rahmen des „Electron Capture in Ho-163 Experiment“ (ECHo) nutzen die Wissenschaftler*innen dazu das Isotop Holmium-163 (Ho-163), das bei seinen Zerfallsprozessen Rückschlüsse auf die Neutrinomasse erlaubt. Nach Angaben von ECHo-Sprecherin Professorin Loredana Gastaldo, Wissenschaftlerin am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, belegen die aktuellen Ergebnisse auch, dass künftig noch größer angelegte Untersuchungen durchführbar sein werden. Sie sollen es ermöglichen, sich der Masse der Neutrinos noch weiter anzunähern und sie schließlich genau zu bestimmen.
Neutrinos sind Elementarteilchen mit extrem geringer Masse, die keine elektrische Ladung besitzen. Da sie nur sehr schwach mit Materie wechselwirken, ist es sehr schwierig, die Eigenschaften dieser „Geisterteilchen“ zu ermitteln. Das gilt insbesondere für die Neutrinomasse, die bisher nicht exakt gemessen werden konnte. Aktuell ist lediglich eine Obergrenze bekannt. Die Bestimmung der Masse könnte laut Loredana Gastaldo den Weg ebnen für neue theoretische Modelle jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik – und damit zu einem besseren Verständnis der Entwicklung unseres Universums beitragen.
Bestimmung der Neutrinomasse anhand der Zerfallsenergie von Holmium-163
Weltweit arbeiten mehrere Forschungsgruppen daran, die Neutrinomasseskala durch die Analyse radioaktiver Zerfälle zu bestimmen. Die bislang niedrigste Obergrenze wurde im Rahmen des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) gemessen, das jedoch im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Messungen seine Grenze erreicht. Das ECHo-Experiment wurde konzipiert, um die Ergebnisse aus dem Projekt KATRIN zu ergänzen und künftig eine noch höhere Sensitivität zu erreichen. Der ECHo-Kollaboration gehören Forschungsteams aus Heidelberg, Mainz, Darmstadt, Tübingen und Karlsruhe sowie aus Genf (Schweiz) und Grenoble (Frankreich) an.
Um die Neutrinomasse zu ermitteln, untersuchen die Forschenden im Rahmen der ECHo-Experimente die Energie, die beim Zerfall von Holmium-163 freigesetzt wird. Bei diesem Zerfallsprozess „fängt“ ein Proton im Atomkern des radioaktiven Isotops ein Elektron ein, wodurch ein angeregter Tochterkern entsteht. Durch die Wechselwirkung von Proton und Elektron entstehen ein Neutron und ein „geisterartiges“ Neutrino, das mit einer bestimmten Energie weggeschleudert wird. Die Masse des Neutrinos bewirkt eine leichte Veränderung in der Energieverteilung der atomaren Anregungen. „Aus den winzigen Veränderungen im gemessenen Energiespektrum können wir Rückschlüsse auf die Neutrinomasse ziehen“, so Gastaldo. Das Isotop Holmium-163 eignet sich nach Angaben der Experimentalphysikerin besonders gut für diese Messungen, weil bei seinem Zerfall insgesamt nur sehr wenig Energie freigesetzt wird. Das bedeutet, dass selbst sehr kleine Schwankungen in der Spektralform mit geeigneten Detektoren nachgewiesen werden können.
Wissenschaftliche Zusammenarbeit verschiedener Partner der ECHo-Kollaboration
Allerdings kommt Holmium-163 in der Natur nicht vor. Für die Experimente wurde es aufwendig künstlich produziert. Dafür wurden in der Arbeitsgruppe von Professor Christoph Düllmann, Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Forschungsabteilungsleiter am Helmholtz-Institut Mainz und bei GSI/FAIR in Darmstadt, im Department Chemie der JGU spezielle Erbiumproben aufgereinigt und anschließend am Forschungsreaktor des Institut Laue-Langevin in Grenoble über mehrere Wochen mit Neutronen bestrahlt, was zur Umwandlung in Holmium-163 führte. Das produzierte Holmium wurde anschließend nach Mainz verbracht, wo die chemische Abtrennung vom verbliebenen ursprünglichen Erbium durchgeführt wurde.
Für die Untersuchungen der ECHo-Experimente kommen metallische Magnetkalorimeter zum Einsatz. Die Detektoren wurden unter der Leitung von Professorin Loredana Gastaldo am Kirchhoff-Institut für Physik entwickelt und hergestellt. Sie sind nur etwa 200 Mikrometer groß und werden bei extrem tiefen Temperaturen von 20 Tausendstel Kelvin betrieben, sodass sich auch kleinste Energieunterschiede in Form von Temperaturschwankungen bemerkbar machen.
Die Einbettung des Holmium-163 in die Kalorimeter wiederum erfolgte ebenfalls an der JGU, in der Arbeitsgruppe von Professor Klaus Wendt vom Institut für Physik. Dazu wurden die Holmium-Atome bei Temperaturen von über 1.500 Grad Celsius verdampft und durch die Absorption von Laserlicht ionisiert. Die entstandenen Ionen wurden im RISIKO-Massenseparator beschleunigt, sodass sie in die hinter dem Separator angebrachten Detektoren implantiert wurden, die dann wieder nach Heidelberg verbracht wurden. Dank eines verbesserten Detektordesigns konnten bei dem nun an der Universität Heidelberg durchgeführten Experiment erstmals etwa 200 Millionen solcher Holmium-163-Zerfallsprozesse beobachtet werden.
Absenkung der Obergrenze der Neutrinomasseskala
Die Wissenschaftler*innen konnten damit die Obergrenze der Neutrinomasseskala im Vergleich mit früheren ECHo-Messungen um etwa eine Größenordnung nach unten verschieben – und um den Faktor zwei gegenüber dem Ergebnis der HOLMES-Kollaboration, die ebenfalls Holmium-163 zur Bestimmung der Neutrinomasse verwendet. „Dieses Ergebnis untermauert die Bedeutung der ECHo-Experimente und demonstriert, dass in Zukunft noch größer angelegte Untersuchungen unter Verwendung von Holmium-163 möglich sein werden“, betont Gastaldo. Dazu plant sie, die Zahl der Detektoren von aktuell 100 auf 20.000 zu erweitern. Für dieses Projekt „Electron Capture in Ho-163 – Large Experiment“ (ECHo-LE) hat sie einen ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten.
An den aktuellen Forschungsarbeiten haben Teams der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Universität Tübingen und des Karlsruher Instituts für Technologie mitgewirkt. Ebenfalls beteiligt waren Forschende des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf (Schweiz) sowie des Institut Laue-Langevin in Grenoble (Frankreich). Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen. (CP)
