Projekt 8 ist ein wichtiger Meilenstein bei der Messung der Masse von Neutrinos.Neutrinos sind schwer fassbare subatomare Teilchen, die sich mühelos durch gewöhnliche Materie bewegen und eine wichtige Rolle in den Teilchen spielen, aus denen unser Universum besteht. Um vollständig zu erklären, wie unser Universum entstanden ist, müssen wir seine Masse kennen. Aber wie viele von uns geht es darum, Wege zu finden, um nicht belastet zu werden.
Im Jahr 2022 ermittelte das KATRIN-Forschungsteam eine Obergrenze dafür, wie massiv ein Neutrino sein könnte. Diese bahnbrechende Leistung war das Ergebnis jahrzehntelanger harter Arbeit. Diese Ergebnisse verengen jedoch nur das Suchfenster. KATRIN wird bald seine Zielerkennungsgrenze erreichen und eines Tages sogar überschreiten, aber federleichte Neutrinos könnten noch leichter sein, was die Frage aufwirft: „Was kommt als nächstes? Was kommt als nächstes?“
Die hier gezeigte Zyklotron-Strahlungsemissionsspektroskopie (CRES) ist der Schlüssel zu einem völlig neuen Ansatz zur Bestimmung der Masse des schwer fassbaren Neutrinos. Quelle: Alec Lindemann, Project 8 Team
Geisterpartikel verfolgen
In ihrer neuesten Forschung berichtet das Projekt-8-Team in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, dass sie mit einer völlig neuen Technik ein natürliches Phänomen namens Beta-Zerfall zuverlässig verfolgen und aufzeichnen können. Wenn eine seltene radioaktive Variante von Wasserstoff – Tritium – in drei subatomare Teilchen zerfällt: Heliumionen, Elektronen und Neutrinos, wird bei jedem Zerfall eine winzige Energiemenge freigesetzt.
Der endgültige Erfolg von Projekt 8 hängt von einem ehrgeizigen Plan ab. Anstatt zu versuchen, Neutrinos direkt nachzuweisen – was die meisten Detektortechnologien problemlos passieren kann – verwendete das Team eine einfache Messstrategie, die sich wie folgt zusammenfassen lässt:
Einstein sagte uns, dass die Gesamtmasse eines Tritiumatoms gleich der Energie seiner Teile ist. Wenn wir die durch den Betazerfall erzeugten freien Elektronen messen, kennen wir die Gesamtmasse und die „fehlende“ Energie ist die Masse und Bewegung des Neutrinos.
„Im Prinzip könnte es im Zuge der Weiterentwicklung und Skalierung der Technologie möglich sein, den Bereich zu erreichen, der zur Bestimmung der Masse eines Neutrinos erforderlich ist“, sagte Brent VanDevender, einer der leitenden Forscher von Projekt 8 am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums.
Warum Punkt 8?
Diese Forscher entschieden sich für diese ehrgeizige Strategie, weil sie die Vor- und Nachteile geprüft und zu dem Schluss gekommen waren, dass sie machbar sei.
Thalia Weiss ist Doktorandin der Kernphysik an der Yale University. Sie und ihre Kollegen aus Projekt 8 haben jahrelang untersucht, wie man elektronische Signale genau von elektronischem Hintergrundrauschen unterscheiden kann. Christine Claessens ist Postdoktorandin an der University of Washington. Sie promovierte im Projekt 8 an der Universität Mainz in Deutschland. Weiss und Claesens führten zwei abschließende Analysen durch und stellten die ersten Beschränkungen für die Neutrinomassen auf, die sich aus der neuen Technik ergeben.
„Das Neutrino ist unglaublich leicht. Es ist mehr als 500.000 Mal leichter als ein Elektron. Wenn also ein Neutrino und ein Elektron gleichzeitig erzeugt werden, hat die Neutrinomasse einen minimalen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Wir wollen diesen winzigen Effekt sehen. Wir brauchen also eine supergenaue Methode, um zu messen, wie schnell sich das Elektron bewegt“, sagte Weiss.
Projekt 8 basiert auf einer solchen Technologie, die vor mehr als einem Jahrzehnt von den Physikern Joe Formaggio und Ben Monreal konzipiert wurde, die damals beide am MIT arbeiteten. Ein internationales Team schloss sich der Idee an und gründete Projekt 8, um die Idee in ein praktisches Werkzeug umzusetzen. Die resultierende Methode wird Zyklotron-Strahlungsemissionsspektroskopie (CRES) genannt. Es fängt die Mikrowellenstrahlung ein, die neugeborene Elektronen aussenden, wenn sie sich in einem Magnetfeld drehen. Diese Elektronen transportieren den größten Teil, aber nicht die gesamte Energie, die beim Betazerfall freigesetzt wird. Es ist diese fehlende Energie, die die Masse des Neutrinos verrät. Dies ist das erste Mal, dass die CRES-Technologie verwendet wird, um den Betazerfall von Tritium zu messen und eine Obergrenze für die Masse von Neutrinos festzulegen.
Wie wiegen Wissenschaftler Neutrinos? Bildquelle: Animation erstellt von Sara Levine vom Pacific Northwest National Laboratory
Innovative Methoden und Herausforderungen
Das Team war nur daran interessiert, diese Elektronen zu verfolgen, da ihre Energie der Schlüssel zur Aufdeckung der Masse des Neutrinos ist. Obwohl diese Strategie schon früher verwendet wurde, ist die vom CRES-Detektor gemessene Elektronenenergie so kritisch, dass ihr Skalierbarkeitspotenzial jede bestehende Technologie übersteigt. Und diese Skalierbarkeit zeichnet Project 8 aus. Elise Novitski ist Assistenzprofessorin an der University of Washington und leitete viele Aspekte der neu veröffentlichten Arbeit.
„Niemand macht das“, sagte Nowitzki. „Wir nehmen nicht die bestehende Technologie und versuchen sie zu optimieren. Wir sind sozusagen im Wilden Westen.“
Im neuesten Experiment an der University of Washington in Seattle verfolgte das Team über einen Zeitraum von 82 Tagen 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignisse in einer erbsengroßen Probenzelle. Die Probenzelle wird kryogen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das austretende Elektronen für lange Zeit einfängt, sodass die Aufzeichnungsantenne des Systems das Mikrowellensignal aufzeichnen kann.
Das Beste daran war, dass das Team keine falschen Signale oder Hintergrundereignisse aufzeichnete, die nicht mit echten Signalen verwechselt werden konnten. Dies ist wichtig, da selbst ein sehr kleiner Hintergrund das Neutrino-Massensignal maskieren kann, was die Interpretation des Nutzsignals erschwert.
Forscher im Rahmen von Projekt 8 unter der Leitung des PNNL-Experimentalphysikers Noah Oblath entwickelten außerdem eine Reihe spezieller Software – jede nach verschiedenen Insekten benannt –, um die Rohdaten zu erfassen und in analysierbare Signale umzuwandeln. Auch die Projektingenieure setzten ihre Tüftlerhüte auf und erfanden verschiedene Teile, um Projekt 8 zum Erfolg zu führen.
„Unsere Ingenieure sind für diese Arbeit von entscheidender Bedeutung“, sagte Nowitzki. „Aus der Sicht eines Ingenieurs ist das ein Laienansatz. Die Experimentalphysik liegt an der Schnittstelle zwischen Physik und Ingenieurwesen. Um diese Dinge zu verwirklichen, müssen besonders abenteuerlustige Ingenieure und praktisch denkende Physiker zusammenarbeiten, denn diese Dinge stehen nicht in den Lehrbüchern.“
das Ende erreichen
Nachdem das Forschungsteam nun gezeigt hat, dass sein Entwurf und sein experimentelles System mit Tritiummolekülen funktionieren können, steht eine dringende Aufgabe vor ihm. Ein Teil des Teams arbeitet am nächsten Schritt: dem Aufbau eines Systems, das einzelne Tritiumatome erzeugen, kühlen und einfangen kann. Dieser Schritt ist schwierig, da Tritium wie sein häufiger vorkommender Cousin Wasserstoff die Bildung von Molekülen bevorzugt. Diese Moleküle werden das ultimative Ziel des Projekt-8-Teams unmöglich machen. Unter der Leitung von Physikern der Universität Mainz entwickeln die Forscher einen Prüfstand, um mithilfe einer komplexen Anordnung von Magneten atomares Tritium zu erzeugen und einzufangen. Dadurch wird verhindert, dass das atomare Tritium mit den Zellwänden der Probe in Kontakt kommt – da es an der Zellwand mit ziemlicher Sicherheit in seine molekulare Form zurückkehrt.
Fortschritte in dieser Technologie sowie Verbesserungen am gesamten Instrument werden entscheidende Schritte sein, um die vom KATRIN-Team erreichte Empfindlichkeit zu erreichen und letztendlich zu übertreffen.
Derzeit testet ein Forschungsteam aus Mitgliedern von zehn Forschungseinrichtungen Entwürfe, um Experimente von einer erbsengroßen Probenkammer auf eine tausendmal größere zu übertragen. Die Idee besteht darin, größere Abhörgeräte zu verwenden, um mehr Beta-Zerfallsereignisse zu erfassen – von der Größe einer Erbse bis zur Größe eines Wasserballs.
„Projekt 8 ist nicht nur ein größeres und besseres CRES-Experiment, es ist auch das erste CRES-Experiment und das erste, das diese Erkennungstechnologie nutzt“, sagte Oblath. „Das hat es noch nie gegeben. Die meisten Experimente sind 50 oder 100 Jahre alt, zumindest die verwendete Nachweistechnologie, und das ist wirklich neu.“