Bestimmung der Neutrinomasse

Hochpräzise Messung der Zerfallsenergie von Holmium-163

Wie schwer sind Neutrinos? Um das herauszufinden, untersuchen Forscher radioaktive Zerfälle, bei denen auch Neutrinos emittiert werden. Die Neutrinomasse erhält man mithilfe einer hochpräzisen Vermessung des Zerfallsenergiespektrums bei gleichzeitig genauer Kenntnis der Massendifferenz von Mutter- und Tochterkernen.

SHIPTRAP-Anlage an der GSI Darmstadt, Deutschland. (Foto: GSI)

Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es nun gelungen, ein mehrere Jahrzehnte währendes Rätsel der Zerfallsenergie des künstlichen Holmiumisotops mit der Massenzahl 163 zu lösen. Es zerfällt durch Elektroneneinfang ins stabile Isotop Dysprosium-163 und scheint besonders gut geeignet zu sein, die Neutrinomasse zu bestimmen. Die Forscher stellten reine Proben von Holmium-163 und Dysprosium-163 her und maßen die Massendifferenz mit hoher Genauigkeit mit dem Penningfallen-Spektrometer SHIPTRAP [Physical Review Letters 115, 062501 (2015)].

Neutrinos sind überall. Hundert Billionen Neutrinos durchströmen den menschlichen Körper in jeder Sekunde, aber eine ihrer fundamentalsten Eigenschaften, ihre Masse, ist noch immer unbekannt. Während das Standardmodell der Teilchenphysik Neutrinos nur als masselos beschreiben kann, belegen Beobachtungen, dass Neutrinos eine winzige Masse haben müssen. Mit der Untersuchung der Neutrinomasse erforschen die Wissenschaftler also Physik jenseits des sonst so erfolgreichen Standardmodells.

Bis heute konnten nur obere Grenzen der Neutrinomasse bestimmt werden, die bestätigten, dass sie sehr klein ist. Dies macht eine direkte Massenmessung zu einer herausfordernden Aufgabe. Die präzise Vermessung des radioaktiven Beta-Zerfalls oder des Elektroneneinfangs ist dabei einer der vielversprechendsten Ansätze. Zwar kann man die flüchtigen Neutrinos nicht direkt nachweisen, allerdings sämtliche restliche beim Zerfall freigesetzte Strahlung. Deshalb kann man durch einen Vergleich der Summe der Energie aller nachweisbaren Strahlung mit der maximal zur Verfügung stehenden Energie des Zerfalls direkt die Neutrinomasse bestimmen.

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Das neue Ergebnis (in rot) bestätigt die jüngsten Ergebnisse für die Zerfallsenergie von 163Ho. Die verschiedenen Symbole stehen für unterschiedliche Messtechniken. (Abbildung: MPIK)

Das künstliche Holmiumisotop mit der Massenzahl 163 steht im Fokus mehrerer großer Kollaborationen. Diese planen, die Neutrinomasse aus Messungen der Energie zu bestimmen, die beim Elektroneneinfang von Holmium-163 ins stabile Dysprosium-163 frei wird. Zurzeit ist dabei die von der Universität Heidelberg aus geleitete ECHo-Kollaboration führend.

Die Bestimmung der Neutrinomasse bedingt eine vorgängige präzise Bestimmung der Zerfallsenergie von Holmium-163. In den letzten Jahrzehnten wurden dafür Werte veröffentlicht, die in einem breiten Bereich von 2400 bis 2900 eV liegen, die aber alle aus indirekten Messungen mit unterschiedlichen Methoden stammen. Der in Datentabellen empfohlene Wert rangiert am unteren Ende der Skala, neuere Resultate liegen jedoch einige 100 eV höher als der empfohlene Wert, so dass dieser angezweifelt werden muss.

Da Einsteins berühmte Gleichung E = mc2 die für den Zerfall zur Verfügung stehende Energie mit der Masse der beteiligten Atome verbindet, kann eine hochpräzise Wiegung der beteiligten Atome das Rätsel lösen. Dazu hat sich eine deutsch-russisch-schweizerisch-französische Gruppe aus Physikern, Chemikern und Ingenieuren zusammengefunden, die ihre Expertise und ihre experimentellen Einrichtungen in dieser Kooperation vereinen.

Holger Dorrer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz auf der Plattform des Forschungsreaktors TRIGA Mainz, mit dessen Hilfe die Reinheit des verwendeten Probenmaterials bestätigt wurde. In der Hand hält er das produzierte und isolierte Holmium-163. (Foto: JGU / H.-M. Schmidt)

Während das stabile Dysprosium-163 in der Natur vorkommt, müssen Proben von Holmium-163 erst aus natürlich vorkommendem Erbium durch intensive Neutronenbestrahlung hergestellt werden; dies geschah im Hochflussreaktor im Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich. Die Reinigung und Weiterverarbeitung dieser Proben wurde im Paul Scherrer Institut in Villigen, Schweiz, und an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) durchgeführt.

„Um die Massendifferenz von Holmium und Dysprosium zu bestimmen, haben wir die Frequenzen der Kreisbewegungen ihrer Ionen im starken Magnetfeld der Ionenfalle SHIPTRAP am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt gemessen; dabei wurde die neue Technik der phasenabbildenden Ionen-Zyklotron-Resonanz-Methode angewandt, die Messungen mit höchster Genauigkeit erlaubt,“ erklärt der Wissenschaftler Dr. Sergey Eliseev vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg. „Diese Kreisbewegung wird auf einen positionssensitiven Detektor projiziert, so dass selbst kleinste Massenunterschiede schneller und genauer bestimmt werden können, als mit bisherigen Methoden.“ Die Frequenzen von Holmium-163 und Dysprosium-163 wurden dabei abwechselnd in Intervallen von fünf Minuten mehrere Tage lang gemessen.

Aus den Messdaten wurde ein endgültiger Wert der Zerfallsenergie von 2833 eV mit einer Unsicherheit von nur wenigen zehn eV erhalten. Das bestätigt neuere Ergebnisse und den von der ECHo-Kollaboration vorgeschlagenen Ansatz zur Neutrinomassenbestimmung. „Die erste Phase des ECHo-Experiments, ECHo-1K, wurde kürzlich als Forschergruppe durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. In dieser Phase werden wir eine Empfindlichkeit von unter 10 eV/c2 für die Neutrinomasse erreichen, was mehr als einen Faktor zehn unter der jetzigen Obergrenze ist, die in Zerfallsexperimenten mithilfe von Holmium-163 bestimmt wurde“, sagt ECHo-Sprecherin Dr. Loredana Gastaldo von der Universität Heidelberg.

Innerhalb der ECHo-Kollaboration ist die Arbeitsgruppe von Professor Dr. Christoph E. Düllmann zusammen mit Forschern am Forschungsreaktor TRIGA Mainz am Institut für Kernchemie der JGU für die Produktion und Präparation der dafür notwendigen Vorräte von Holmium-163 verantwortlich. Er erläutert: „Die erfolgreiche Produktion der Proben für diese Messungen sind ein wichtiger Schritt hin zur Probenpräparation für eine empfindliche Messung der Neutrinomasse. Dafür werden wir als weiteren Reinigungsschritt zusammen mit der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Klaus Wendt vom Institut für Physik der JGU eine physikalische Separation im Mainzer RISIKO Separator durchführen, um so hochreine Proben zur Verfügung stellen zu können, ohne welche die Messungen nicht möglich wären“.

Veröffentlichung:
S. Eliseev et al. (2015): Direct measurement of the mass difference of 163Ho and 163Dy solves Q-value puzzle for the neutrino mass determination. Physical Review Letters 115, 062501. DOI:10.1103/PhysRevLett.115.062501.

Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Christoph Düllmann
Institut für Kernchemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
E-Mail: duellmann@uni-mainz.de
http://www.kernchemie.uni-mainz.de

Prof. Dr. Klaus Blaum
MPI für Kernphysik Heidelberg
E-Mail: klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de

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