Zwischen Geisterteilchen und Dunkler Materie:

Ganz vorn, noch vor den Absperrbändern, läuft Kathrin Valerius. Es ist ihr Herzensprojekt: das metallgewordene Ergebnis ihrer Diplomarbeit und wochenlanger Berechnungen, das dort durch den baden-württembergischen Ort Leopoldshafen nördlich von Karlsruhe gezogen wird. "Ich hatte den ganzen Tag lang wissenschaftliche Gänsehaut", erinnert sie sich heute, fast 20 Jahre später. „Die ganze Zeit habe ich mich gefragt, ob das gerade wirklich real ist." Noch heute bewahrt sie die Fotos dieses Tages in ihrem Büro auf.

Die Faszination von Neutrinos

Noch heute spricht sie mit Begeisterung über ihre Arbeit, über ungelöste Fragen der Physik und über das KATRIN-Experiment. Oft bietet sie Führungen für Schülerinnen und Schüler an, für Besuchergruppen und für Politik und Medien. Dann zeigt sie den Vorläufer von KATRIN und das große Hauptspektrometer. Ein rhythmisches Klopfen erfüllt dabei die kühle Halle, an den Wänden hängen Plakate, die über die Erforschung von Neutrinos aufklären.

"Es gibt viele Gründe, warum Physiker auf der ganzen Welt Neutrinos untersuchen", sagt Valerius. "Manche wollen einfach das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigen. Wenn wir die Eigenschaften von Neutrinos kennen, werden manche fundamentale Annahmen der Physik neu definiert. Außerdem machen Neutrinos einen Großteil des Universums aus – Neutrinos zu verstehen hilft also, das Universum zu verstehen."



kosmische Architekten

Für Valerius persönlich ist es gerade die Überschneidung von Kosmologie und Teilchenphysik, die den besonderen Reiz des Themas ausmacht. "Ich kann mit der Neutrino-Forschung diese zwei Welten miteinander verbinden. Neutrinos sind kosmische Architekten, die auf den großen Skalen des Universums wirken. Sie gehören seit dem Urknall zu den häufigsten Teilchen überhaupt in unserem Kosmos. Darüber musste ich einfach mehr lernen und inzwischen ist es Teil meiner Identität, Neutrino-Forscherin zu sein."

Die Planungen für das KATRIN-Experiment beginnen 2003. Valerius ist zu dieser Zeit auf der Suche nach einem Thema für ihre Diplomarbeit, als der Tutor einer Übungsgruppe sie in das Arbeitsteam holt. "Als wir das Experiment geplant haben, war klar: Wir brauchen dafür ein riesengroßes Spektrometer, damit es leistungsstärker und empfindlicher wird als seine Vorläufer. Und meine Aufgabe war es, das Design für diesen Tank zu berechnen", erzählt Valerius.

rätselhafte Geisterteilchen

Da Neutrinos weder elektrisch noch magnetisch mit anderer Materie wechselwirken, sind die sogenannten "Geisterteilchen" schwer zu untersuchen. Um ihre Masse bestimmen zu können, müssen die Physikerinnen und Physiker kreativ werden.

KATRIN misst nicht direkt die Neutrinos, sondern die Energie der Elektronen, die beim Betazerfall von Tritium freigesetzt werden. Hat das Elektron eine besonders große Energie aus dem Zerfall mitbekommen, so bleibt für das Neutrino gerade genug übrig, um zu entstehen – aus der Form des Energiespektrums kann dann auf die Neutrinomasse geschlossen werden.

Dafür werden Elektronen aus dem Tritium-Zerfall in das große Spektrometer geschickt. Im Inneren des Zylinders befindet sich nichts außer Ultrahochvakuum und einem elektromagnetischen Feld.



Ein elektrisches Feld als Hindernis

Die Elektronen folgen den Magnetfeldlinien in der Apparatur. Gleichzeitig wird ihnen ein starkes elektrisches Feld entgegengesetzt. "Je größer das Spektrometer, umso weiter kann sich das Magnetfeld entfalten", erklärt Valerius. "Was dann passiert, ist wie beim Minigolf: Wird der Ball mit genügend Energie angestoßen, schafft er es über den Hindernis-Hügel, wenn nicht, rollt er zurück. Und genauso geht es den Elektronen. Diejenigen mit genügend Energie schaffen es entlang des Magnetfeldes über das elektrische Gegenfeld, die übrigen bleiben zurück. Und von denen, die hinten am Detektor ankommen, können wir die Energie bestimmen und so die Masse der unsichtbaren Neutrinos berechnen."

Viel Arbeit, wenig Zeit

Die Mittagspausen verbringt sie am liebsten mit den Kolleginnen und Kollegen. Häufig wird gemeinsam im Büro gegessen, in dem kleinen Raum mit Konferenztisch, wo Lego-Figuren zur Dekoration stehen. Die Figuren zeigen eine Chemikerin, eine Paläontologin und natürlich eine Astrophysikerin – alles Frauen, die in der naturwissenschaftlichen Welt nach wie vor in der Unterzahl sind.

Laut des jüngsten Gender-Monitoring-Berichts des KIT waren 2022 nur 18 Prozent der Professor:innen in der Physik weiblich. Ein Umstand, der im Arbeitsalltag spürbar wird: "Die wenigen Frauen, die es in diesen Positionen gibt, werden für Gleichstellungs-Kommissionen verpflichtet", sagt Valerius. „Einerseits ist das positiv, die Sicht der Frauen wird einbezogen. Aber das bedeutet auch, dass die wenigen Leute, die im System sind, zur Verbesserung des Systems besonders hart arbeiten müssen. Wir verbringen viel Zeit mit dieser Arbeit, die dann anderswo fehlt."

Ihrem vollen Zeitplan begegnet Valerius mit präziser Organisation. Der Schreibtisch ist aufgeräumt, die Termine eng getaktet. "Früher habe ich nicht verstanden, dass E-Mails bei anderen Leuten tagelang unbeantwortet bleiben. Heute spüre ich selbst den Termindruck und ich wäge genau ab, welche neue Aufgabe ich noch annehmen kann."