Ein Neutrino ist ein subatomares Teilchen, das einem Elektron ähnelt, aber keine elektrische Ladung hat. Außerdem ist seine Masse so gering, dass man früher dachte, sie wäre gleich null. Es ist zwar eines der häufigsten Teilchen im Universum, doch lässt es sich unglaublich schwer nachweisen, weil es kaum in Wechselwirkung mit Materie tritt. Neutrinos bleiben also bislang ein Rätsel, trotz jahrzehntelanger Bemühungen, ihre Masse zu bestimmen.

Wenn die Wissenschaft versteht, was einem Neutrino seine Masse verleiht, könnte dies zu einer besseren Erklärung des Universums beitragen. Einer Erklärung, die über das Standardmodell, die derzeit beste Theorie zur Beschreibung der grundlegenden Bausteine des Universums, hinausgeht. Aufgrund der Häufigkeit des Neutrinos wäre die Bestimmung seiner Masse wichtig für das Verständnis der aktuellen kosmologischen Modelle und der Entstehung kosmischer Strukturen.

Aufbau des Experiments

Das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) angesiedelte KATRIN-Experiment hat zum Ziel, die absolute Masse des Neutrinos zu bestimmen. Vom ersten Entwurf bis zur fertigen KATRIN-Plattform dauerte es fast 16 Jahre, um die für die Auflösung der winzigen Effekte bei der Messung von Neutrinos erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen. Zu den neuen Technologien, die hierfür entwickelt wurden, gehören eine Tritiumquelle und ein Detektor (Spektrometer) zur Messung der Energie der freigesetzten Elektronen.

Das KATRIN-Experiment beginnt mit einer Tritiumquelle. Sie erzeugt gasförmiges Tritium, ein hochradioaktives Wasserstoffisotop. Beim radioaktiven Zerfall von Tritium (3H) zu Heliumisotopen (3He), Beta-Elektronen (e-) und Elektron-Antineutrinos (ν̄) entstehen auch Teilchenpaare aus einem Elektron und einem Neutrino. Diese Paare werden von supraleitenden Magneten zum Detektor geleitet, wo sie gemessen werden.

Das KATRIN-Wissenschaftlerteam kann die Masse der Neutrinos nicht direkt messen. Deswegen machen sie einen Umweg über die Elektronen, um die Eigenschaften der Neutrinos aus den Eigenschaften der Elektronen zu berechnen. Bei den meisten Elektron-Neutrino-Paaren, die von der Tritiumquelle emittiert werden, teilt sich die Energieladung gleichmäßig auf. Bei einigen wenigen jedoch nimmt das Elektron fast die gesamte Energie auf und lässt nur einen winzigen Teil für das Neutrino übrig. Diese Einzelfälle sind diejenigen, die KATRIN braucht, denn die winzige Menge an Energie, die für das Neutrino übrigbleibt, muss dessen Ruhemasse enthalten. Sobald KATRIN die Energie des Elektrons präzise messen kann, können die Wissenschaftler die Energie des Neutrinos berechnen – und damit seine Masse.

Der größte UHV-Behälter der Welt

Das verwendete Hauptspektrometer ist der größte Ultrahochvakuum (UHV)-Behälter der Welt. Er weist einen Restgasdruck im Bereich von 10-11 mbar auf – vergleichbar mit der Mondoberfläche – und enthält ein zweischichtiges Elektrodensystem aus 23.000 Drähten, um das Innenvolumen vor geladenen Teilchen abzuschirmen. Das Spektrometer selektiert die energiereichsten Elektronen, bevor sie den Detektor erreichen.

Im Wesentlichen handelt es sich um ein Elektronentransport- und Tritium-Rückhaltesystem in einer extremen Vakuumumgebung. Daher stellt das KATRIN-Experiment hohe technische Anforderungen an eine Vakuumventil-Lösung, vor allem hinsichtlich Dichtheit und Funktionsstabilität. Martin Greuter, VAT-Sektorleiter Beschichtung, wissenschaftliche Instrumente und Forschung, erläutert: „Die VAT-Ventile, die das VAT-Team für KATRIN entworfen hat, mussten für die Strahlungsbelastung, die extremen Temperaturen und die speziellen Reinheitsanforderungen der Ultrahochvakuum-Umgebung ausgelegt sein.“

Vakuumventile für extreme Bedingungen

Für diese Herausforderungen empfahlen sich zum einen die Schieberventile der VAT-Baureihe 10.8, die speziell für UHV-Umgebungen konzipiert sind. Zum anderen fiel die Entscheidung für die Ganzmetall-Eckventile der VAT-Baureihe 54.1, die für extreme UHV-Bedingungen bei hoher Strahlenbelastung und hohen Temperaturen ausgelegt sind.

Die 10.8 UHV-Schieber verfügen über die VATLOCK-Dichtungstechnologie, die eine zuverlässige Abdichtung ohne Reibung an der Tellerdichtung gewährleistet. Die Tellerdichtung besteht aus temperaturbeständigen Hochleistungselastomeren, die direkt an den Teller vulkanisiert sind. Daraus resultiert eine verbesserte Haltbarkeit und optimierte Dichtungsleistung. Ein Kernmerkmal des VATLOCK ist die Verriegelung in der Schließposition, die das Risiko eines Vakuumverlustes aufgrund eines Druckluftausfalls ausschließt.

Die 54.1 UHV-Ganzmetall-Eckventile eliminieren die Gefahr einer vorzeitigen Alterung der Dichtungen in Bereichen mit höherer Strahlenbelastung. Sie zeichnen sich durch eine einzigartige Hart-auf-hart-Dichtungstechnologie aus, d. h. es werden keine Elastomere eingesetzt. Dank der patentierten FLEX VATRING-Dichtung kann mit diesen Ventilen eine größere Anzahl von Schließzyklen durchgeführt werden als mit herkömmlichen hart auf hart dichtenden Konstruktionen. Die Phase zwischen den Wartungsintervallen ist so lang, dass die Ventile für das KATRIN-Experiment praktisch wartungsfrei sind. Aufgrund ihrer hervorragenden Dichtungseigenschaften werden diese Ventile auch in Anwendungen mit extrem hohem Vakuum (XHV) eingesetzt.

„Dank der Clean-Vacuum-Verfahren von VAT konnten die Ventile bereits ausgeheizt geliefert werden, um schon bei der Installation jegliche Systemkontaminationen zu vermden“, berichtet Martin Greuter. In solch extremen Anwendungen sei es unabdingbar, dass die Ventile physikalisch neutrale Eigenschaften aufweisen, d. h. dass sie keinen Einfluss auf die Umgebung des komplexen Experiments nehmen. VAT ist gespannt auf die Ergebnisse, die KATRIN erzielen wird!