Átalakuló neutrínókért járt a fizikai Nobel-díj

A neutrínók alattomos kis dögök. Az összes elemi részecske közül ezenek van a legkisebb hatása a körülöttük lévő világra. Gyakorlatilag akadálytalanul hatolnak át bármin és bárkin: ha nem múltál még el harminc, a tested jó eséllyel egyetlen áthaladó neutrínóval sem lépett még kölcsönhatásba. Pedig csak a Nap átküld rajtad sok-sok milliárdot. Másodpercenként.

A 2015-ös díjazottak.

Viszont ahhoz képest, hogy szinte teljesen megfoghatatlanok, ez nem is az első, hanem már a negyedik Nobel-díj, amit a neutrínók kapcsán kiosztanak (1988, 1995 és 2002 után). A kutatók azért tesznek ilyen nagy erőfeszítéseket a megismerésükre, mert például közvetlen diagnosztikát biztosítanak nekünk a Nap belsejéről. A Napban a hidrogénatomok héliummá való fúziója biztosítja azt az energiát, ami nagy és fényes gömbként tartja fenn a központi égitestünket, és egyben megakadályozza a Földet is a keményre fagyástól. 

Ennek igazolására azonban valóban _közvetlen_, a Nap belsejéből számazó bizonyítékunk nem sok van.

A Nap képe, neutrínókban nézve. Maga a Nap valójában sokkal kisebb, kb. másfél pixel, de egyelőre ennyire pontos az iránymérés. (Forrás: Super-Kamiokande)

Pontosabban csak egy: a fúzió során termelődő neutrínók. Ezért az 1960-as évektől a kutatók nagy lelkesedéssel vágtak bele ezek megtalálásába.

Tekintve, hogy a neutrínók iszonyú ritkán hatnak csak kölcsön az anyaggal, egy-egy részecske értelmes időn belüli elkapásához obszén mennyiségű közegre van szükség. Az első komoly kísérlet során Raymond Davis Jr. és munkatársai az 1500 méter mélyen lévő Homestake aranybányában helyeztek el egy közel 400 m3-es tartályt, tele tetraklór-etilénnel. (A bánya az egyéb részecskesugárzások leárnyékolásához kellett.) A tartályt aztán magára hagyták, és néhány hetente megszámolták, hogy a klórból mennyi argonatom keletkezett a neutrínók hatására. A várt szám néhány tíz (10) atom volt. Davis következetesen ennek a harmadát mérte.

Kérdés: Davis vesztett el néhány atomot útközben, vagy a számítások voltak rosszak?

Hamarosan kiderült, hogy Davis eredményei helyesek: a Nap harmadannyi neutrínót küld, mint kéne. Komoly probléma lépett fel: a fizikusok vagy az elemi részecskék, vagy a Nap működése kapcsán valamit komolyan elszámoltak.

Hogy tovább bonyolítsuk a helyzetet: neutrínóból nem csak egyféle van, hanem három (plusz mindegyik antirészecskéje). A normál magreakciókban, például a radioaktív elemek béta-bomlásakor elektron-neutrínó (vagy antineutrínó) keletkezik. Ugyanígy, a magfúzió során is elektron-neutrínók keletkeznek, és a korai detektorok is csak ezeket érzékelték. De az elektron mellett annak nagyobb, instabil tesóihoz, a müon és tau részecskékhez is tartozik müon- és tau-neutrínó.

Elemi részecskék, a mai tudásunk szerint. Legalul a három neutrínó.

A három különböző neutrínó-típus között pedig igen gyanús összefonódások léphetnek fel. Ha feltesszük, hogy neutrínóknak van egy nagyon-nagyon kicsi, de mégsem nulla tömege, az egyenletekből intenzív fejvakarásra okot adó eredmények potyognak ki. Egyrészt, ezt a tömeget nem adhatja csak úgy nekik a Higgs-bozon (Nobel-díj, 2013, de ez egy másik történet), másrészt a nem nulla tömeggel rendelkező neutrínók átalakulhatnak egymásba.

Vagyis kiröppen a Napból az elektron-neutrínó, de lehet, hogy már müon- vagy tau-neutrínó lesz belőle, mire ideér. Ez lenne a díj indoklásában emlegetett neutrínó-oszcilláció. 

Ezt elvben marha egyszerű igazolni, mert csak össze kell számolni, hogy mennyi neutrínó érkezik a Napból összesen. A gyakorlati megvalósítás már kevésbé triviális: ezt díjazta most a Svéd Tudományos Akadémia.

Super-Kamiokande, és a légköri neutrínók

Kadzsita Takaaki 1988-tól végzett kutatásokat japán Super-Kamiokande neutrínó-detektor segítségével. Ez a műszer 50 000 tonna nagy tisztaságú vízzel dolgozik, amelyet több, mint 11 000 fénymérő berendezés tart szemmel. A neutrínók nagy ritkán eltalálnak egy-egy elektront a vízben, és jól meglökik őket, amik ettől a vízbeli fénysebességnél gyorsabban indulnak el, majd lelassulva a Cserenkov-sugárzás jellegzetes fényét bocsátják ki (ettől dereng kéken az atomreaktorokban lévő hűtővíz is). Az ilyen, fejlettebb detektorok már többféle neutrínót is detektálnak.

A félig leeresztett Superkamiokande tartályában csónakázó mérnökök, amint a fénymérő fotoelektromos érzékelőket ellenőrzik.

Kadzsita és munkatársai légköri müon-neutrínókra vadásztak, amelyek az űrból minket bombázó kozmikus sugarak melléktermékei. Azt találták, hogy kétszer annyi müon-neutrínó jön felülről, közvetlenül az égből, mint alulról, a bolygón keresztül. A neutrínók számára az, hogy a Földön át kell haladni, jelentéktelen apróság, úgyhogy az egyetlen ok, ami miatt eltűnhetnek, az a nagyobb távolság és repülési idő. Kadzsitáék arra jutottak, hogy míg a 15 km-ről érkező müon-neutrínóknak nincs idejük átválozni másfélévé, a túloldalról, 13 000 km-ről érkezők fele már tau-neutrínóként érkezett meg Japánba, és haladt tovább detektálás nélkül. Végül 1998-ban publikálták az eredményeiket: ez volt az első mérési bizonyíték, hogy a neutrínóknak van tömege, és emiatt oszcillálhatnak az egyes fajtáik között. Ugyanakkor ez a kutatás magát a napneutrínó-problémát még nem oldotta meg maradéktalanul.

Sudbury Neutrino Observatory, és a napneutrínó-probléma megoldása

A világ túlfelén, Kanadában is épült egy nagy neutrínó-detektor, egy másik bánya mélyén. Sudbury még különlegesebb, ugyanis hatalmas, gömb alakú víztartályában egy második tartály is úszik. A belső tartályban pedig nem sima víz található, hanem ezer tonna nehézvíz (D2O). A protont és neutront is tartalmazó deutérium nagy előnye, hogy egyszerre lehet vele mérni az elektron-neutrínók számát és az összes neutrínó számát is. Az itt végzett kutatások segítségével sikerült végül Arthur McDonaldnak és munkatársainak egyértelműen igazolni, hogy a Napból annyi neutrínó érkezik, mint amennyit várunk - csak éppen kétharmada menet közben átalakult müon- és tau-neutrínókká. A Nappal tehát nincsen semmi komoly baj, már csak a neutrínók tömegét kéne pontosan megmérni, illetve megmagyarázni. 

A Sudbury Neutrino Observatory hatalmas külső tartálya, amit a bányaüreg tetejéről lógatnak.

Népszerű
Uralkodj magadon!
Új kommentelési szabályok vannak 2016. január 21-től. Itt olvashatod el, hogy mik azok, és itt azt, hogy miért vezettük be őket.