Patkós András
Vadászat puha neutrínókra


 Marx György emlékének ajánlom

Az alább következő rövid beszámoló címét eredetileg Marx György és Lux Iván adta 1970-ben megjelent tanulmányának [1]. Felelevenítésére a japán Kamioka bánya mélyén működő neutrínóobszervatórium legújabb, szenzációs felfedezése kínálja az alkalmat. A Physical Review Letters 2003. januári számában közölt kísérleti eredmény [2] a tudomány történetében először számol be a Föld anyagában található rádioaktív elemek (az urán 238-as, a tórium 232-es és a kálium 40-es izotópja) bomlása során keletkező antineutrínók közvetlen észeléséről. A publikációt követően rendre jelennek meg azok a tudományos közlemények, amelyek az eredményt geokémiai vagy a Föld energiaháztartása szempontjából elemzik. Ezekben újra meg újra felbukkannak Marx Györgynek e témakörben végzett úttörő jelentőségű kutatásai. Ezért a japán kutatók eredményének ismertetése előtt érdemes visszatekinteni a földi eredetű neutrínók utáni vadászat kezdeteire, a múlt század hatvanas éveire.

 A neutrínók által gerjesztett magreakciót először C. Cowan és F. Reines mutatta ki 1956-ban. A hasadásos magreaktorokban folyamatosan termelődnek neutrínók és antineutrínók az instabil hasadási termékek béta-bomlásos (elektron, illetve pozitron kibocsátásával járó) magátalakulásainak eredményeként. Földi körülmények között ez az egyetlen, ember által kontrollált, nagy neutrínóáramot „termelő” forrás. Miután a neutrínók átlagos szabad úthossza igen nagy, az amerikai kutatók által készített detektornak minden egyes protonja az áthaladó neutrínóáramból csak minden 1030-kal képes arra, hogy a detektálást jelentő, indukált neutronná alakuljon.

A Földet érő neutrínósugárzás legnagyobb részben a Napban folyó fúziós magreakciósorozatban keletkezik. A tavaly Nobel-díjjal jutalmazott Raymond Davis már az ötvenes évek végén elkezdte a Nap-neutrínók detektálásának előkészítését. E neutrínók észlelése és energiájuk megmérése teszi lehetővé, hogy a Napban zajló magreakciókról közvetlen információt kapjunk. E mérésekkel igazolhatók (vagy cáfolhatók) a Napnak a gravitáció és a magfúzió érzékeny egyensúlyára alapozott létezéséről és sorsa további alakulásáról alkotott tudományos elképzelések. A Napból érkező neutrínók nagyobb átlagos energiájúak, mint a földi reaktorokban előállítottak, ami fokozza áthatolóképességüket, és csak minden 1032–33 találkozásból lesz reakció.

Marx György első, e témába tartozó tanulmánya, amelyet 1960-ban publikált Menyhárd Nórával, a neutrínócsillagászat esélyeit latolgatva optimista volt a Napból érkező neutrínók kimutatását illetően, amire Davis kísérleti berendezésének 1965-ös elkészültéig alig öt évet kellett várni. Már ebben a cikkben becslést adtak a terresztriális neutrínók által előidézett reakciók rátájára. Miután csak a szárazföldi földkéreg urán-, tórium- és kálium-tartalmára vannak adatok, a forrás intenzitására durva becslést lehetett tenni. Éppen abban látták e mérések jelentőségét, hogy segítségükkel a Föld másképpen elérhetetlen belsejének geokémiai összetételét ismerhetjük meg. Miután a Napból jövő neutrínóáram messze meghaladja a Földből származó neutrínók áramsűrűségét, csak az antineutrínók kimutatására van esély, mert az elektron antineutrínója nem keletkezik a Nap működése során. Ha kétmilliárd antineutrínóval számolunk másodpercenként és cm2-ként, a kimutatási reakciót eredményező, hatásos találkozó létrejöttéhez protononként átlagosan 1036  neutrínó átrepülését várhatjuk. A korábban már említett becsléseknél is kedvezőtlenebb kilátásoknak az az oka, hogy a radioaktív bomlásokból származó antineutrínók átlagos energiája igen alacsony, kisebb, mint 2,6 MeV. Az ilyent hívják a fizikusok  „puha” részecskének. A kimutatásra legjobban a víz protonjának antineutrínókkal indukált neutronná alakítása használható. Erre azonban csak azok az antineutrínók képesek, amelyeknek az energiája legalább 1,8 MeV. A kicsire összeszorult energiasávban található, lecsökkent számú hatásos antineutrínóval a statisztikailag meggyőző jel összegyűjtésére a Marx–Menyhárd-cikk megírásának időpontjában nem látszott semmi esély.
Érdekes megemlíteni, hogy a szerzők a neutrínócsillagászat mai egyéb vizsgálódási területeit is hiánytalanul felsorolták. Az akkor még semmiféle kísérleti bizonyítékkal alá nem támasztott „forró ősuniverzum-elmélet”-re hivatkoztak, amikor a világegyetemet kitöltő kozmikus neutrínógáz kimutatási esélyeit latolgatták. Ennek a gáznak olyan kicsi a sűrűsége, hogy ma is úgy látjuk: az univerzum történetére vonatkozó, egyedülállóan fontos információk megismerésére még sokáig kell várnunk.  A Naprendszeren kívülről érkező neutrínósugárzás kimutatása szempontjából csak egy erőteljes nukleáris reakció által kísért csillagrobbanásnak adhattak esélyt. A szupernóvarobbanásból származó neutrínók észlelésére 1987 augusztusáig kellett várni. Ez volt a mára fizikatörténeti jelentőségűvé vált Kamioka- kísérletsorozat első sikere, amelyért M. Koshiba tavaly megosztott Nobel-díjat kapott.

A földi neutrínók kimutatásának feladatát – részletes számításokkal – Gernot Eder német fizikus állította 1966-ban az érdeklődés fókuszába [3].  Vizsgálatait Egyed László geofizikus professzornak a Nature folyóiratban 1963-ban közzétett érvelése ösztönözte, amelyben a magyar kutató a Föld forgásának lassulására utaló paleontológiai és geofizikai adatok alapján felállította a Föld átmérőjének növekedésére vonatkozó hipotézisét. Eder az így megnövekvő gravitációs energiához szükséges munkavégzés forrását keresve jutott arra, hogy a földi radioaktivitás táplálhatja ezt a folyamatot. Érdekes megjegyezni, hogy Orowán Egon – Angliába emigrált magyar kutató, a szilárd testekben fellépő kristályrácshibák tudományának megalapozója – 1964-ben felvetette, hogy a keletkezésekor, 4,5 milliárd évvel ezelőtt, egybefüggő, szilárd kéreggel borított Földön termikus eredetű tágulás okozhatta a kontinensekre töredezést, és ennek folyamata indította el a máig tartó kontinensvándorlást. A német kutató – a korai Marx–Menyhárd-cikkben feltételezettnél százszorta kisebb neutrínó-áram–sűrűségre alapozva a becslését – arra a következtetésre jutott, hogy 500 tonna vizet használva az észlelésre évente 4-5 protont sikerülhet a földi eredetű antineutrínóknak neutronná alakítaniuk; a folyamatot pozitron kisugárzása kíséri. Ezek a pozitronok a víz elektronjaival szétsugározva fotonpár keltésével vétetik magukat észre, és teszik lehetővé a reakció kísérleti vizsgálatát.

A modern magyar tudománytörténet szempontjából fontos lehet annak kiderítése, hogy az Eötvös Loránd Tudományegyetem két professzora megvitatta-e Eder cikkét, mindenesetre tény, hogy Marx György 1968-ban Moszkvában a híres szovjet fizikus, Bogoljubov születésnapi köszöntéseként már erről a témáról adott elő, és ezt javasolta Lux Ivánnak diplomamunkája témájára. A mai szerzők egy eléggé eldugott publikációjára is rendszeresen hivatkoznak, amely a Csehszlovák Fizikai Folyóiratban jelent meg. Marx György még egy  cikket szentelt a témának – két mexikói kutatóval együttműködésben [4] –, amely 1981-ben a valóban mindenki által olvasott Physical Review-ban jelent meg.
 Ismert, hogy a Davis-kísérlet a Napból várt neutrínóáram felét mutatta ki. Szintén neutrínóhiányt mutatott a Kamioka bányában elvégzett második nagy fontosságú kísérlet, amelyet 1997 és 1999 között végeztek, hogy kimutassák a Föld felső légkörében – a kozmikus sugárzási kölcsönhatásokban – keletkező müonok elbomlásából származó neutrínók számában az érkezési irányfüggést. E kísérletek eredményének természetes magyarázata volt, hogy a hiány oka a keletkező neutrínók egy részének olyan neutrínókká alakulása, amelyek az észlelésre használt reakciókban nem vesznek részt. A neutrínóoszcilláció tényét – amelyet (Bruno Pontecorvo 1957-es elképzelését erre a problémára alkalmazva) Gribov és Pontecorvo 1967-ben javasolt – a Nap-neutrínókra a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatórium 2001-ben minden kétséget kizáróan bizonyította. A felfedezéssorozat utolsó lépése az oszcilláció tényének földi forrásból származó neutrínókkal és földi elhelyezkedésű detektorral való kimutatása volt, amikor a kísérlet minden eleme mérnöki–fizikusi kontroll alá került. Az antineutrínók észlelését újfent a Kamioka bányában valósították meg: hat környező japán és dél-koreai energiatermelő hasadási reaktorból származó, egyesített antineutrínó-áram által 1000 tonna vízben előidézett Eder-féle reakciót vizsgálták. A hat forrás egyesítésére a neutrínóáram sűrítése érdekében volt szükség.

A japán kísérlet előkészítésének időszakában felismerték, hogy a számszerű jóslatok ellenőrzésénél nem hagyhatják figyelmen kívül a földi természetes antineutrínók áramát sem, legalábbis a legalacsonyabb energiájú tartományban. A résztémáért felelős csoport F. Suekane vezetésével részletes modellt dolgozott ki, hogy a majdani mérések értelmezésekor a földi eredetű antineutrínók járulékát is figyelembe vehessék. Publikációjuk hivakozásai alapján világos, hogy vizsgálódásaikat Eder, illetve Marx három évtizeddel korábbi számításaira alapozták.  Gondos munkájuknak hála, az antineutrínók oszcillációjának földi bizonyítékát előterjesztő cikkük [2] egyik ábráján világosan felismerhető, hogy az oszcillációból származó antineutrínó-áramhoz képest többletet észlelnek (1. ábra). Öt antineutrínó a természetes hátteret alkotó 232-es tóriumizotóp, négy pedig a 238-as urán bomlási sorozatából származik.

Az antineutrínók energia szerinti eloszlásában a geo-neutrínók és a háttér várt járulékát önálló, sávozott tartományként tünteti fel az ábra (fent). A neutrínóoszcilláció jelensége nélkül várt eloszlás és az oszcilláció hipotézisét alkalmazó legjobb illesztés görbéje látható (lent), a mért neutrínószámnak megfelelő (hibajeleket is feltüntető) pontokkal összevetve. A 2,6 MeV küszöb felett kitűnik az oszcillációs hipotézissel való leírás jó minősége. A 2,6 MeV alatti energiájú eseményekhez a geo-neutrínók járuléka lényeges, ami az oszcillációs illesztéshez képest megnövekedett eseményszámmal jó összhangban van. (Függőleges tengely: eseményszám//0,425 MeV, vízszintes tengely: neutrínóenergia (MeV); background: háttér; KamLAND data: KamLAND-adatok; no oscillation: oszcilláció nélküli, várt eseményszám; best-fit oscillation: legjobb oszcillációs illesztés.)

Mire használható ez az adat?  Ha ezeknek az elemeknek a földi eloszlására a legtermészetesebb, egyenletes eloszlást tételezzük fel, megbecsülhetjük geokémiai előfordulási koncentrációjukat. Ebből azután kiszámítható a bomlási sorban a Föld egész térfogatában felszabaduló hőteljesítmény, amelyet össze lehet vetni a Föld hőháztartásából megismert 40 terawattos teljesítménnyel. Az első modellszámítások a teljes természetes hőteljesítmény nukleáris eredetét valószínűsítik.

Nem szabad elfelejteni, hogy ez az eredmény melléktermék. A puha (kis energiájú) antineutrínók az oszcilláció jelensége során a méréssel lefedett energiatartomány szélén jelentkeznek, ezért elválasztásuk a reaktorból származóktól igen részletes megfontolások után is sok bizonytalanságot hagy maga után. Egy olyan, Kamioka típusú kísérlet elvégzése lenne ideális, amelyet az energiatermelő reaktoroktól távol, minél vastagabb földkéreggel borított területen valósítanának meg a természetes forrás erősségének növelése érdekében. Az indiai fizikusok, akik rámutattak, hogy ebből a mérésből a Földön előforduló nehéz elemek kozmikus keletkezésének időpontját is meg lehet határozni, a Himaláját javasolják a kísérlet elvégzésére. A CERN Courrier legutóbbi száma már arról számolt be, hogy a korábban igen aktív, de több éve szünetelő indiai neutrínókísérletek felújításáról határozott az Indiai Kutatási Tanács...

Talán egy évtizednyi munkára lehet szükség ahhoz, hogy az antineutrínó-kísérletekkel igen pontos, bolygónk egészét átfogó ismeretekhez jussunk a rádioaktív elemek természetes földi elterjedtségéről. Szomorkás büszkeséggel hozzátehetjük, a merész, megfigyelhetetlennek tűnő jelenségek kimutatási esélyeinek úttörő latolgatása jó recept arra, hogy a kutató sok generáción át megmaradjon tudománya aktív művelőinek emlékezetében.
 

Irodalom

[1] G. Marx és I. Lux, Hunting for Soft Neutrinos, Acta Phys. Hung. 28  (1970) 63
[2] K. Eguchi és szerzőtársai, First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Phys. Rev. Letters, 90 (2003) 021802
[3] G. Eder, Terrestrial Neutrinos, Nuclear Physics B78 (1966) 687
[4] C. Avilez, G. Marx és B. Fuentes, Earth as a Source of Antineutrinos, Physical Review
D23 (1981) 1116