Project 8 und Neutrino Energy: Neutrinos halten die Wissenschaft in Atem

Project 8: Die präziseste Neutrino-“Waage” der Welt passt in ein normales Labor

Die Messung der phantastisch winzigen Masse von Neutrinos ist zur Zeit Gegenstand einer Reihe von Forschungsprojekten. Eines davon ist Project 8, eine Kollaboration von Physikern aus elf amerikanischen und deutschen Forschungseinrichtungen. Von deutscher Seite sind die Gutenberg Universität Mainz und das Karlsruhe Institute of Technology beteiligt. Finanziell wird das Projekt in erster Linie durch das US-amerikanische Energieministerium, die US-amerikanische National Science Foundation und den PRISMA+ Exzellenzcluster der Universität Mainz getragen.

Ziel von Project 8 ist es, das weltweit präziseste experimentelle Setup zur Messung der Neutrinomasse zu bauen. Läuft alles wie geplant, wird das Team die Neutrinomasse mit einer Genauigkeit von etwa 40 meV bestimmen. Zum Vergleich: Das Karlsruher Schwesterexperiment KATRIN setzt sich 200 meV zum Ziel.

Die Neutrinomasse – Sprengstoff für das Standardmodell

Im Standardmodell gelten Neutrinos als masselos. Seit der Entdeckung der Neutrinooszillationen steht allerdings fest, dass das so nicht stimmen kann: Neutrinos kommen in drei “Flavours” mit jeweils scharf bestimmter Masse, die sich ineinander umwandeln können. Klar ist bereits, dass die Neutrinomasse höchstens ein Millionstel der Masse eines Elektrons, des nächst-leichtesten Partikels im Teilchenzoo, betragen kann. Genaue Werte sind aber bislang unbekannt – und aufgrund der praktisch nicht vorhandenen Wechselwirkung mit Materie der deshalb gern als Geisterteilchen apostrophierten Neutrinos notorisch kompliziert zu messen.

Neutrinos kommen offenbar nicht über den üblichen Weg der Interaktion mit Higgs-Bosonen zu ihrer Masse, sondern durch einen anderen, noch rätselhaften Mechanismus. Genaueres über den Neutrino-eigenen Mechanismus der Massegenerierung zu wissen, könnte das Standardmodell entscheidend erweitern, wenn nicht sogar aufsprengen. Der präzise Wert der Neutrinomasse – bzw. eigentlich der Massen von Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – ist dabei so etwas wie der Schlüssel zum Verständnis, da mit seiner Hilfe die zahlreichen Theorien zum Thema auf den Prüfstand gestellt werden könnten.

So will Project 8 die Neutrinomasse bestimmen

Das Team hat einen der geradlinigeren Wege zum “Wiegen” der Geisterteilchen gewählt, der die fragliche Masse mit der fehlenden Energie des beim Betazerfall von Tritium emittierten Elektrons gleich setzt.

Tritium ist ein in Spuren vorkommendes natürliches Wasserstoffisotop, das unter Emission eines Elektrons und eines Neutrinos zu stabilem Helium zerfällt. Elektron und Neutrino teilen sich die bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton frei werdende Energie. Project 8 will nun die Energie des freigesetzten Elektrons messen. Was dann noch zur Energiedifferenz von Neutron und Proton fehlt, muss im Neutrino stecken – und ist über Einsteins berühmte Formel direkt mit dessen Masse verknüpft.

CRES – eine neue Methode zur Messung der Elektronenenergie

Zur Messung der Elektronenenergie hat Project 8 eine vollkommen neue Technik entwickelt, die Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy (CRES). Dabei werden die beim Tritium-Zerfall emittierten Elektronen durch ein Magnetfeld geleitet, das sie durch die Lorentzkraft in eine Spiralbewegung zwingt, deren Frequenz von ihrer kinetischen Energie abhängt. Beschleunigte Elektronen emittieren winzige Mengen sogenannter Cyclotronstrahlung, deren Energiemaximum bei der Frequenz der Spiralbewegung des Elektrons liegt. CRES misst nun das Spektrum der Cyclotronstrahlung, ermittelt daraus die Frequenz der Elektronenbewegung – und letztlich die Elektronenenergie.

Im Vergleich mit den Dimensionen anderer Experimente rund um Neutrinos – man denke an den gigantischen Tank von KATRIN – nimmt sich das Project-8-Setup bescheiden aus: Das CRES-Spektrometer hat in einem normal großen Labor bequem Platz.

Der Zeitplan von Project 8

Seit 2014 hat das Project-8-Team gezeigt, dass die CRES-Technik grundsätzlich funktioniert, und erste Messungen des Tritium-Spektrums durchgeführt. Aktuell arbeitet man unter anderem an der Herstellung und Stabilisierung von atomarem Tritium (normalerweise ist Tritium ein Dimer), dessen schmaleres Energiespektrum die Genauigkeit der Messung erhöhen soll. Die finale Phase des Projekts wird voraussichtlich Ende 2022 beginnen und soll bis 2026 Ergebnisse liefern.

Währenddessen arbeitet die Neutrino Energy Group aus Berlin mit einem Verbund an internationalen Wissenschaftlern bereits an der praktischen Anwendung von Neutrinos.

Die in Berlin ansässige Neutrino Energy Group hat kürzlich eine neue Art der Nanotechnik entwickelt, die die Bewegungen der ätherischsten Teilchen des Universums in nützliche Elektrotechnik umwandeln kann. Die Neutrino Energy Group steht kurz davor, die “Neutrinovoltaik” mit Hilfe von dotiertem Graphen und einem unerschöpflichen Forschergeist in die Realität umzusetzen.

Die Spitze der Nanotechnik ist dotiertes Nanographen

Im Jahr 2016 entwickelten Wissenschaftler Dreischicht-Graphen, ein Material, das aus drei ultradünnen, übereinander gestapelten Schichten dotierten Graphens besteht. Die Forscher entdeckten, dass das dreischichtige Graphen in der Lage ist, die kinetische Energie auf nahezu unvorstellbare Werte zu erhöhen. Sie hatten jedoch keine Ahnung, dass Holger Thorsten Schubart, ein deutscher Energieforscher und Gründer der Neutrino Energy Group, etwa ein Jahr zuvor eine nahezu ähnliche Substanz entwickelt hatte.

Neutrinovoltaik-Technologie wandelt die kinetische Energie von Neutrinos in Elektrizität um

In einem 2015 eingereichten Patent beschrieb Schubart eine Technik mit dotiertem Graphen, die die kinetische Energie vorbeifliegender Neutrinos in Strom umwandelt. Schubart ließ sich von der 2015 gemachten Entdeckung, dass Neutrinos eine Masse haben, dazu inspirieren, ein System zu entwickeln, das die Masse dieser ätherischen Teilchen in nützliche Energie umwandeln kann.

Obwohl Neutrinos kaum nachweisbar sind und von fast keinem Stoff aufgehalten werden können, haben sie doch eine Masse, und alles, was Masse hat, enthält auch Energie. Nachdem er seine eigenen dotierten Graphen-Nanomaterialien entwickelt hatte, lange bevor der Rest des wissenschaftlichen Establishments aufholte, stellte Holger Thorsten Schubart rasch die Neutrino Energy Group zusammen und beauftragte dieses beispiellose Konsortium führender Energiewissenschaftler und -ingenieure mit der Entwicklung der weltweit ersten Neutrino-Energiegeräte.

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