FENYVES ERVIN
A fizikai Nobel-díjak

Az 1995-ös fizikai Nobel-díjjal a standard modell két leptonjának felfedezőit tüntették ki: Frederick Reinest (University of California, Irvine) az első neutrínó, az ún. elektron-neutrínó 1956-ban történt detektálásáért és Martin Perlt (Stanford University) a tau-lepton 1975-ben történt felfedezéséért.
 
 

Martin Perl	Frederick Reines

Az elemi részecskék standard modellje az egyenesített elektrogyenge kölcsönhatás és az erős kölcsönhatás mértékinvariáns elméleteinek kombinációja és 12 fermiont (valamint ezek antirészecskéit), továbbá 12 mértékbozont (a g, W^ą, Z⁰ részecskéket és 8 gluont) tartalmaz. A 12 fermion 6 leptonból és 6 kvarkból áll, amelyek 3-3 családba oszthatók (1. ábra). A 3 leptoncsalád első tagja az elektron-neutrínót  (n_e) és az elektront tartalmazza, míg a harmadik család a tau-neutrínóból (n_t) és a tau-leptonból (t) áll.

Mint az 1. táblázatól látható, az elektron-neutrínó a 3 család legkisebb tömegű (esetleg nulla tömegű) tagja és a tau-lepton a legnagyobb tömegű részecskéje. Frederick Reines felfedezése 1956-ban, amikor egyedül csak az elektron volt ismeretes a leptonok közül, nemcsak az első neutrínó detektálása volt, hanem egyben az első lépés is a leptoncsaládok megismerésének útján.

A neutrínó létezését először W. Pauli feltételezte 1931-ben az energia- és impulzusmegmaradás megőrzésére a béta-bomlásban, és E. Fermi használta fel 1934-ben a béta-bomlás elméleti értelmezésére. A ~neutrínó létezését azonban csak Frederick Reines és Clyde Cowan mutatta ki 1956-ban közvetlen kísérlet formájában. Ennek oka a neutrínók igen kicsi hatáskeresztmetszetével magyarázható. Csak az igen nagy elektromosenergia-termelő vagy katonai célokra épült maghasadásos reaktorok korszakában vált lehetővé olyan intenzív neutrínóforrásokat alkalmazni, amelyek lehetővé tették a neutrínó kísérleti kimutatását.

Reines és Cowan a Savannah River reaktorban keletkező hasadási termékek béta-bomlásában keltett anti-neutrínókat használták fel a neutrínó létezésének kimutatására. A b^--bomlás lényegében véve egy, az atommagon belüli neutronnak protonná történő bomlása gyenge kölcsönhatás révén:

amelyben egy elektron (b^--részecske), és egy antineutrínó (_e) is keletkezik. A reaktorban igen nagy mennyiségben keletkező aktív hasadási termékek hatalmas anti-neutrínó fluxust keltenek és lehetővé teszik az anti-neutrínók észlelését egy inverz béta-bomlás-reakcióban

 keletkező pozitronok és neutronok koincidenciában történő detektálásával.

A Reines és Cowan által használt kísérleti berendezés a 2. ábrán látható. Az anti-neutrínók egy víztankban pozitronokat és neutronokat keltenek a (2) reakció értelmében. A pozitronok a víz-target elektronjain annihilálódnak és két 0,51 MeV energiájú g-fotont keltenek, amelyek a víztank két oldalán elhelyezett két szcintillációs számlálót (1, 2) koincidenciában megszólaltatják. A víztank CdCl₂-t is tartalmaz oldat formájában. A neutronok a vízben többszörösen szóródnak, átlagosan 5,5 ms alatt teljesen lelassulnak és a Cd magokon (n,g) reakció formájában befogódnak. Az (n,g) reakcióban több gammarészecske keletkezik, amelyeknek totális energiája körülbelül 9 MeV és amelyek ismét megszólaltatják a két szcintillációs számlálót késleltetett koincidenciák (1*, 2*) formájában.

A két szcintillációs számláló impulzusait amplitúdó analizátorokkal vizsgálva és a megfelelő energiájú (1, 2) (1, 2) késleltetett négyes koincidenciákat számlálva, a neutrínóreakciók gyakorisága (2,88ą0,22/h) jó egyezést mutatott az inverz béta-bomlásból elméletileg számított értékkel.

A Pauli-hipotézis és a neutrínó létezésének kísérleti kimutatása között 25 év telt el, és további 39 évnek kellett eltelnie, hogy Fred Reines elnyerje a jól megérdemelt és régen esedékes Nobel-díjat.

A tau-lepton kimutatása a Stanford Linear Accelerator Centerben (SLAC) működő Stanford Positron-Electron Asymmetric Ring (SPEAR) pozitron-elektron ütközőnyalábjainak segítségével történt. A gyorsítóban keltett nagy energiájú pozitronok és elektronok egymással ütközve annihilálódnak és nagy tömegűelemi részecskéket vagy részecskepárokat képesek kelteni. Az így keltett részecskék természetének és energiájának meghatározása a SLAC–LBL (Lawrence Berkeley Laboratory) mágneses detektor segítségével történt. Burton Richter, a SLAC igazgatója és csoportja 1974-ben a bájos kvarkot (c; lásd 1. ábra) fedezte fel ezzel a detektorral. Vele egy időben Samuel Ting hasonló felfedezésre jutott a Brookhaven National Laboratory AGN (Alternative Gradient Synchrotron) protongyorsítója segítségével. Richter és Ting, a bájos kvark felfedezéséért megkapták az 1976-os fizikai Nobel-díjat.

A SLAC–LBL mágneses detektor továbbfejlesztése újabb elemi részecskék felfedezését tette lehetővé. 1975-ben Martin Perl anomális eseményeket észlelt E-4 GeV tömegközépponti pozitron-elektron ütközési <%0>energiákon, amelyekben két lepton: egy elektron (e) és egy müon m keletkezett és más töltött részecske nem volt látható. Perl ezt a jelenséget egy új nehéz leptonpár keltésével és azt követő elbomlásával értelmezte:

 ahol t az új nehéz lepton, amelynek tömege körülbelül 1,8 GeV/c², n_t a tau-neutrínó és n_m a müon-neutrínó (1. ábra). Egy későbbi, igen gondos analízis után az összes anomális események száma 13-nak és a háttér 0,53-nak adódott. Annak a valószínűsége, hogy a háttér okozza mind a 13 eseményt, teljesen elhanyagolható volt.

Martin Perl felfedezése után hosszú vita következett az új nehéz lepton és a harmadik leptoncsalád létezésének kérdésével kapcsolatban. Csak DESY-ben (Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg), a DORIS tárológyűrűben a PLUTO mágneses detektorral 1977-ben folytatott kísérletek győzték meg teljesen a fizikusokat a lepton létezéséről. Martin Perl az aacheni 1976-os neutrínókonferencián nevezte el az új nehéz részecskét t-leptonnak a görög triton (harmadik) első betűje a t után, ami a harmadik leptoncsaládra utal.

Ezen sorok írója mindkét Nobel-díjas fizikust jól ismeri és különösen meleg barátságban volt Fred Reinesszel. Ezért az 1995-ös fizikai Nobel-díjak személy szerint is külön örömmel töltenek el és a többi fizikussal együtt igen nagy érdeklődéssel várom a további felfedezéseket, kísérleti és elméleti eredményeket a Standard-modellen belül és túl.