Előfizetés a lapra

Neutrínók: a részecskevilág kaméleonjai

fizika, neutrínó, Nobel-díj, részecske

2016/03/01

Az ezévi díjazottak, a japán Takaaki Kajita és a kanadai Arthur B. McDonald a hivatalos indoklás szerint „a neutrínóoszcillációk felfedezéséért” részesült a magas elismerésben, „amely megmutatta, hogy a neut­­rí­nóknak van tömege.” Az eredmény, amellett hogy megoldott egy több évtizede ismert rejtélyt, önmagán messze túlmutatva egyúttal azt is bizonyította, hogy az elemi részek fizikájának sokak által már lezártnak tartott, rendkívül sikeres elmélete, a Standard Modell mégsem teljes, hanem további módosításokra, kiegészítésre szorul.

Jellegéből adódóan a díj nemcsak a két tudósnak, hanem jelképesen az általuk vezetett népes kutatócsoportoknak is szól, akik a japán Szuper-Kamiokande detektornál és a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatóriumban az ezredforduló táján kimutatták a neutrínók egymásba való átalakulását. Az ilyen jellegű, óriásdetektorokkal elvégzett mérések ugyanis már jó ideje elképzelhetetlenek nagy­lét­szá­mú, mérnökökből, kísérleti- és elméleti fizikusokból, továbbá számítógépes szakemberekből álló kutatógárda szoros együttműködése nélkül.

Takaaki Kajita

 Bár nem látjuk, és semmi más érzékszervünkkel sem érzékeljük őket, ténylegesen neutrínók özönében élünk: testünk minden kis porcikáján másodpercenként sokmilliárdnyi neutrínó halad át észrevétlenül, a fényéhez közeli sebességgel.

Arthur B. McDonald

Hogy honnan jönnek? Egy részük még a Világegyetem születésekor, a Nagy Bummban keletkezett, de jelenleg is folyamatosan képződnek különféle kozmikus és földi folyamatokban, így például a csillagok (köztük a minket is éltető Nap) energiáját termelő magfúziókban, az életük végére ért csillagok látványos szu­per­nó­va­rob­banásaiban, a természetes radioaktív bomlásokban, vagy éppen a mesterséges nukleáris erőművekben. A fény részecskéi, a fotonok után a neutrínók a második leggyakoribb részecskék az Univerzumban.

A láthatatlan tolvaj

Ehhez képest különösen meglepőnek tűnhet, milyen sokáig maradtak rejtve, még azt követően is, hogy 1931-ben Wolfgang Pauli (1945-ben Nobel-díjat kapott osztrák fizikus) elméleti megfontolások alapján „kitalálta” őket. A fizikusok ekkortájt szembesültek egy a radioaktív béta-bomlásokban megjelenő problémával: a bomlás során az elem atommagja egy neutron protonná alakulásával magasabb rendszámú elemmé alakul át, amit egy elektron kisugárzása kísér. A folyamatban azonban sérülni látszott az energia- és az impulzusmomentum (perdület) megmaradásának törvénye, mégpedig úgy, hogy mindkettőnek a kiinduló és a végtermékek közti mérlegében kisebb (az energia esetében folyamatosan változó) hiány mutatkozott. Márpedig a fizikusok túlnyomó többsége sérthetetlennek tartotta ezeket a megmaradási tételeket. Látszólagos sérülésük magyarázatára feltételezett Pauli egy harmadik, a folyamatban nem észlelt „tolvaj” részecskét, amely a hiányzónak tűnő energiát és impulzust magával vitte. A folyamatban résztvevő többi részecske egyéb adataiból és abból, hogy a ködkamrában nem hagyott látható nyomot, következett, hogy a feltételezett részecske elektromosan semleges, csak nagyon gyengén hat kölcsön más részecskékkel, saját perdülete (spinje) megegyezik az elektronéval, a nyugalmi tömege pedig az elektronénál jóval kisebb, vagy éppen nulla lehet. A neutrínó nevet, amely olaszul semlegeskét (kis semlegest) jelent, később Enrico Fermi adta a részecskének, aki egyúttal a béta-bomlás új modelljét is megalkotta: ebben az elektronnal egyidejűleg mindig egy neutrínó (pontosabban az elektron kibocsátásával járó negatív béta-bomlásban antineutrínó, de ez konvenció kérdése) is keletkezik, amely azonban csak az általa elvitt energia és impulzus révén, közvetve észlelhető. Maga Pauli is úgy vélte, hogy feltételezésével „rettenetes dolgot követett el”, mivel a neutrínók közvetlen kimutatása sosem lesz lehetséges. És valóban jó 25 évet kellett várni, míg ez végülis sikerült: 1956 júniusában két amerikai fizikus, Frederick Reines (1995-ben kapott Nobel-díjat) és Clyde Cowan táviratban értesíthették Paulit a neutrínók első közvetlen kimutatásáról.

A Super-Kamiokande belsejében

 Eközben a részecskefizika elméleti modelljei is fejlődtek. Kiderült, hogy kölcsönhatásaik alapján a részecskék különféle családokba sorolhatók, ezen belül azok, amelyek az erős kölcsönhatásban (ez tartja együtt pl. a nukleonokban a kvarkokat) nem vesznek részt, a leptonok családjába tartoznak. Ennek tagjai: az elektromosan töltött elektron, a kozmikus sugárzásban felfedezett, hozzá nagyon hasonló, de kissé nagyobb tömegű és bomlékony müon, és a még nagyobb tömegű, gyorsítóban előállított tau-részecske, továbbá a töltött leptonokhoz kapcsolódó (a radioaktív bomlásokban velük párosulva keletkező) elektromosan semleges neutrínók (illetve azok an­ti­ré­szecs­kéi), amelyeket rendre elektron-, müon- és tau-neutrínónak (an­ti­ne­ut­­rí­nónak) neveznek. A neutrinók három típusát a részecskefizikában elterjedt szóhasználattal a neutrínók háromféle ízének is nevezik.

 Az egyre jobban kiépülő, és bizonyítékok sokaságával megerősített Standard Modellben a neutrínókat egészen a XX. század végéig stabil, nulla nyugalmi tömegű részecskéknek feltételezték.

A Super-Kamiokande légköri neutrínókat detektál. Amikor egy neutrínó a tartály egyik vízmolekulájával ütközik, egy sebesen száguldó, elektromosan töltött részecske keletkezik, amely Cserenkov-sugárzást hoz létre. Ezt a fényérzékelők észlelik. A Cserenkov-sugárzás intenzitásából és eloszlási görbéjének alakjából meghatározható az eredetileg beérkezett neutrínó fajtája és érkezési iránya. A Super-Kamiokandébe a légkörből közvetlenül érkezett müon-neutrínók száma jóval meghaladta a Föld teljes átszelését követően beérkezett müon-neutrínókét, amiből egyértelműen arra lehetett következtetni, hogy az utóbbiaknak a hosszabb út befutása során több idejük volt más típusú neutrínóvá alakulni.

Az eltűnt napneutrínók

Az 1960-as évek elejére elkészült a Nap fúziós energiatermelését leíró elméleti modell, amely a folyamatlánc eredményeként nagyszámú elektron-neutrínó keletkezését jósolta meg. Az évtized végére elkészült és Raymond Davis Jr. (2002-es Nobel-díj) vezetésével működni kezdett az a dél-dakotai aranybányában megépített neut­rí­nó­de­tek­tor, amely alkalmas volt a Napból érkező neutrínók észlelésére. Az első kiértékelések azonban megdöbbentő eredményre vezettek: a jósolt neutrínók mintegy 70 százaléka hiányzott! Hová tűntek a napneutrínók? Vagy másként – ahogy akkoriban Marx György professzor, a neutrínók kutatásának elismert szaktekintélye meglehetősen provokatív szellemességgel megfogalmazta: „hová tűnt a Nap az égről?”

 Lehetséges magyarázatokban nem volt hiány. Felvetődött, hogy a Nap működését leíró modell nem elég pontos vagy teljes. Esetleg magában a mérésben lehet valamilyen szisztematikus hiba. És már ekkor felvetődött, hogy Bruno Pon­te­cor­vo korábban megfogalmazott elképzelése, a neut­rí­nó­osz­cilláció (azaz a különféle ízű neutrínók egymásba való átalakulása) jelentheti a megoldást. Mivel a Napban folyó fúziók során kizárólag elektron-neutrínók keletkeznek, és Davis kísérlete is csak ezeknek az észlelésére alkalmas, amennyiben a Naptól a Földig tartó út során az elektron-neutrínók egy része más típusú neutrínóvá alakul, az magyarázhatja a deficitet.

 Ám mindez pusztán elméleti spekuláció maradt mindaddig, amíg nem épültek még nagyobb és érzékenyebb, más típusú neutrínók kimutatására is alkalmas óriásdetektorok. Mélyen a felszín alatt, a kozmikus sugárzás egyéb részecskéitől elszigetelve és a környező talajrétegek spontán radioaktív bomlásait is leárnyékolva kellett ezeket a hatalmas térfogatú detektorokat megépíteni. 1996-ra készült el a japán Super-Kamiokande, Tokiótól 250 kilométerrel észak-nyugatra, egy cinkbánya mélyén, majd ezt 1999-ben követte a Sudbury Neutrínó Obszervatórium, amely a kanadai Ontario tartományban, egy hajdani nikkelbányában kapott helyet. Az ezredforduló táján ezzel a két óriásdetektorral sikerült igazolni a neutrinók három ízének egymásba alakulását, a neutrínóoszcillációt.

A légköri neutrínók aszimmetriája

A Super-Kamiokande gigantikus tartálya 1000 méterrel a talajszint alatt 50 ezer tonna ultra tisztaságú vizet tartalmaz, amelyet több mint 11 ezer fénydetektor figyel minden oldalról. A vízmolekulákkal ütköző elektron- vagy müon-neutrínók rendre elektronokat, illetve müonokat keltenek, amelyek a vízbeli fénysebességnél gyorsabban száguldva Cserenkov-sugárzást bocsátanak ki. Ezt észlelik a fénydetektorok, a kutatók pedig a sugárzás intenzitásából és a lefutási görbe alakjából meg tudják határozni az eredetileg azt keltő neutrínó típusát és beérkezésének irányát.

 A Sudbury Neutrínó Obszervatórium a Napból érkező neutrínókat detektálja. A Nap magjában folyó fúziós folyamatokban kizárólag elektron-neutrínók keletkeznek. A neutrínóknak a tartály nehézvízmolekuláival való ütközései során keletkező másodlagos részecskék Cserenkov-sugárzásának tulajdonségai mind az elektron-neutrínók egyedi, mind a háromféle neutrínó összesített detektálását lehetővé teszi. A kísérletekből megállapítható volt, hogy miközben a beérkezett elektron-neutrínók száma a vártnál kevesebb, a háromféle típusból beérkezett neutrínók összesített száma megegyezett a várt értékkel. Ebből pedig egyértelműen arra lehetett következtetni, hogy a Napból induló elektron-neutrínók egy része a Földig tartó út során más típusú neutrínóvá alakult.

A Super-Kamiokande a kozmikus sugárzás által a légkörben létrehozott elektron- és müon-neut­rí­nó­kat méri. Ezek alapvetően két irányból érkezhetnek a detektorba: vagy felülről, közvetlenül a légkörből, vagy alulról a teljes földgolyót átszelve. Mivel a glóbuszon való áthaladás a neutrínók számára alig jelent akadály, a kutatók a két ellentétes irányból nagyjából azonos számú neutrínó érkezésére számítottak. 535 napnyi megfigyelési idő után elegendő adat gyűlt össze a kiértékeléshez. Ebből aztán kiderült, hogy míg az elektron-neutrínók esetében valóban nem mutatható ki különbség, ezzel szemben a közvetlenül a légkörből származó müon-neutrínók jócskán többen voltak, mint a földgolyón keresztül érkezők. Ez pedig azt sugallta, hogy az utóbbiakkal történhetett valami a hosszabb út megtétele során. Kézenfekvő magyarázatként kínálkozott, hogy egy részük tau-neutrínóvá alakulhatott, amelyek kimutatására azonban a detektor nem volt alkalmas. A most Nobel-díjjal jutalmazott Takaaki Kajita vezette kutatócsoport az eredményt 1998-ban jelentette be.

 A napneutrínó-rejtély megoldása

A később üzembe állt Sudbury Neutrínó Obszervatórium kifejezetten a Napból érkező neutrínók kimutatására épült. A talajszinttől 2 kilométeres mélységben, 1000 tonnányi nehézvízzel feltöltött tartályt minden oldalról összesen 9500 fénydetektor figyeli meg. A tartályban végbemenő ütközések során egyfelől mód van az elektron-neutrínók észlelésére, másfelől lehetséges a háromféle neutrínó bármelyike által kiváltott jelek összességének azonosítására, anélkül, hogy megkülönböztetnék őket. 

 Mivel a Napban csak elektron-neutrínók keletkeznek, a kutatók arra számítottak, hogy a kétféle módon kapott neutrínószám egyező lesz. Ezzel szemben az elektron-neutrínók száma csak harmadakkorának bizonyult, mint a háromféle neutrínó létszámainak összege. Vagyis ebből itt az következett,  hogy a Naptól a Földig tartó 150 millió kilométernyi út megtétele során valami történt az elektron-neutrínókkal. Mivel pedig a háromféle típus összege megegyezett a Napból várt teljes neutrínófluxussal, immár kétség sem férhetett ahhoz, hogy a Napból érkező elektron-neutrínók látszólagos hiányát a neutrínóoszcilláció okozza. A most Nobel-díjjal kitüntetett Arthur B. McDonald vezette kutatócsoport ezt az eredményt 2001-2002-ben jelentette be. 

A Sudbury Neutrínó Obszervatórium

Új távlatok?

A két kísérlet (és az azóta eltelt másfél évtized alatt néhány további) egyértelműen bebizonyította, hogy a neutrínók valóságos át­vál­to­zó­mű­vé­szek, amelyek képesek egymásba átalakulni. A történetnek azonban ezzel még nincs vége, ennek ugyanis messzemenő következményei vannak a Standard Modellre nézve, mivel a neutrínók csakis akkor lehetnek képesek ilyen átváltozásra, ha a nyugalmi tömegük nem nulla, hanem bármennyire kicsiny is, de véges. A tömeg nélküli neutrínók koncepcióját tehát, amely Standard Modell egyik lényegi eleme, el kell vetni.  A netrínók tömegének nagy­ságára jelenleg csak felső korlátok vannak, egyes becslések a nagyságrendjét egymilliomod elektrontömegre teszik.

 Másfelől viszont azt is tudjuk, hogy a Világegyetemben szinte elképzelhetetlenül nagy számú neutrínó van – valamennyi galaxis összes csillaga gigantikus számban termeli őket. Így bármennyire is parányi az egyedi neutrínók tömege, összességükben kitesznek annyit, mint az Univerzum teljes látható tömege. Ez a kérdés azonban már a kozmológiában lényeges szerepet játszó sötét anyag máig megoldatlan rejtélyéhez kapcsolódik.

 Mintha csak a XIX. század végi fizika története ismétlődne, amikor is Lord Kelvin egy 1900-as előadásában azt fejtegette, hogy a XIX. század fizikájának derült egén már csak két aprócska felhő látszik, az egyik az éter mozgása, a másik az energia ekvipartíciója. Nos, e két aprócska felhőből nőtt ki a XX. századi fizika két hatalmas oszlopa, a relativitáselmélet és a kvantumfizika.

 A részecskefizika Standard Modelljét is sokan már lezárt elméletnek tekintették, de a neutrínók tömegének megjelenése itt is olyan felhőcskének bizonyulhat, amelyről egyelőre nem látni, hová vezet. Csak annyi sejthető, hogy a fizika fejlődése előtt újabb kapukat nyithat meg.

 GAJZÁGÓ ÉVA

 

2015/52