Probing Light Sterile Neutrinos with the First Five Science Runs of the KATRIN Experiment

Die Neutrinomassen gehören nach wie vor zu den spannendsten offenen Fragen der Teilchenphysik, da sie um Größenordnungen kleiner sind als die anderer bekannter Teilchen und es im Standardmodell der Elementarteilchen keinen etablierten Entstehungsmechanismus dafür gibt. Das Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN)-Experiment misst die effektive Elektron-(Anti-)Neutrinomasse durch präzise Spektroskopie des Tritium-$\beta$-Zerfalls-Spektrums nahe seinem Endpunkt bei $18{,}6\,\text{keV}$. Der erste wissenschaftliche Durchlauf wurde im Frühjahr 2019 durchgeführt. Nachfolgende Messkampagnen haben die statistische Präzision schrittweise verbessert. ... mehrIm Laufe der Zeit wurde die Versuchsanordnung modifiziert, um systematische Effekte besser zu kompensieren, die Hintergrundwerte wurden reduziert und die Datenanalysetechniken verbessert. Diese Entwicklungen führen zu einer zusätzlichen Komplexität bei der Durchführung einer konsistenten und rigorosen kombinierten Analyse des gesamten Datensatzes. Basierend auf den ersten fünf Messkampagnen erhält KATRIN eine Obergrenze von
\[
m_\nu < 0{,}45\,\text{eV}/\mathrm{c}^2 \quad \text{(90\% C.L.)},
\]
wobei weitere Datenanalysen noch laufen.

Zusätzlich zur Untersuchung der aktiven Neutrinomasse nutzt KATRIN seine ultrapräzise $\beta$-Spektrumsmessung, um nach leichten sterilen Neutrinoständen im eV-Massenbereich zu suchen. Ein steriles Neutrino würde eine Knickstelle im $\beta$-Zerfalls-Spektrum verursachen, die als spektrale Verzerrung des $\beta$-Spektrums bei einer Energie erscheint, die seiner Masse entspricht. Da dieser Effekt nur von der Spektralform und nicht von seiner absoluten Normierung abhängt, stellt er neben der Suche nach dem Verschwinden von Neutrinooszillationen eine ergänzende und robuste Untersuchungsmethode dar.

Erste Suchen nach sterilen Neutrinos durch KATRIN auf der Grundlage der ersten beiden wissenschaftlichen Durchläufe (KNM1 und KNM2) schlossen bereits große Bereiche des Parameterraums aus, die mit den Reaktor- und Galliumanomalien in Verbindung stehen, und stellten die Behauptung von Neutrino-4 in Frage. Diese Arbeit erweitert diese Untersuchung durch eine kombinierte Analyse der ersten fünf wissenschaftlichen Durchläufe von KATRIN (KNM1–KNM5), die 259 Tage mit hochstatistischen Daten und etwa 36 Millionen analysierte Ereignisse im interessierenden Bereich umfassen. Die Analyse umfasst verbesserte experimentelle Konfigurationen, eine verbesserte Hintergrundreduktion, verfeinerte systematische Unsicherheiten und optimierte statistische Analysetechniken. Es wird kein signifikantes steriles Neutrino-Signal beobachtet. Die daraus resultierenden Ausschlussgrenzen verbessern die bisherigen Beschränkungen für den Tritium-$\beta$-Zerfall weiter und schließen zusätzliche Bereiche des Parameterraums aus, die vom Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST) und den Gallium-Anomalien favorisiert werden. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu den weltweiten Bemühungen, offene Anomalien im Neutrino-Sektor aufzuklären und die Physik jenseits des Drei-Flavour-Neutrino-Paradigmas zu testen.

Neutrino masses remain one of the most compelling open questions in particle physics, being orders of magnitude smaller than those of other known particles and lacking an established generation mechanism in the Standard Model of elementary particles. The Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) experiment measures the effective electron (anti-)neutrino mass by performing precision spectroscopy of the tritium $\beta$-decay spectrum near its 18.6\,keV endpoint. The first science run was conducted in spring 2019. Subsequent measurement campaigns have progressively enhanced statistical precision. ... mehrOver time, the experimental configuration has been modified to better mitigate systematic effects, background levels have been reduced, and data analysis techniques have been improved. These developments introduce additional complexity to perform a consistent and rigorous combined analysis of the full dataset. Based on its first five measurement campaigns, KATRIN obtains an upper limit of $m_\nu < 0.45\,\mathrm{eV}/\mathrm{c}^2$ (90\% C.L.), with further data analysis in progress.

In addition to probing the active neutrino mass, KATRIN exploits its ultra-precise $\beta$-spectrum measurement to search for light sterile neutrino states at the eV mass scale. A sterile neutrino would introduce a kink in the $\beta$-decay spectrum, appearing as a spectral distortion of the $\beta$-spectrum at an energy corresponding to its mass. Because this effect depends only on the spectral shape and not its absolute normalization, it provides a complementary and robust probe alongside neutrino‐oscillation disappearance searches.

Initial sterile-neutrino searches by KATRIN based on the first two science runs (KNM1 and KNM2) already excluded large regions of parameter space associated with the reactor and gallium anomalies and challenged the Neutrino-4 claim. This thesis extends that work by performing a combined analysis of the first five KATRIN science runs (KNM1–KNM5), comprising 259 days of high-statistics data and approximately 36 million analyzed events in the region of interest. The analysis incorporates improved experimental configurations, enhanced background reduction, refined systematic uncertainties, and optimized statistical analysis techniques. No significant sterile-neutrino signal is observed. The resulting exclusion limits further improve upon previous tritium $\beta$-decay constraints and exclude additional regions of the parameter space favored by the Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST) and Gallium anomalies. This thesis contributes to the global effort to resolve outstanding anomalies in the neutrino sector and to test physics beyond the three-flavor neutrino paradigm.