PATKÓS ANDRÁS

A neutrínó befejezetlen története


A természettudománytól elvárjuk, hogy egyetlen egységet alkosson, hiszen egyetlen, egységesen létező természet jelenségeit figyeljük meg, használjuk fel céljainkra vagy éppen igyekszünk folyamatait érdekeink szerint befolyásolni. A legmodernebb eszközöket felhasználó megfigyelési programokat azért valósítja meg az emberiség, hogy a Világegyetem múltjában egyre mélyeben beletekintve egyetlen, ellentmondásmentes történetté formálja za anyag kozmikus fejlődéstörténetét.

 A neutrínó-történet tele van meglepő feltételezésekkel és elementáris hatású következtetésekkel. A kozmikus környezetünkben folytatott megfigyelések és a párhuzamosan végzett földi kísérletek összehangzó értelmezésének igénye jól illusztrálja az igényes természettudományos megközelítést, amelynek elvárásai alól nem vonhatja ki magát a legfantáziadúsabb “történetíró” sem, ha a tudományos közösség tagjaként kíván tevékenykedni.

 Az elmúlt év egyik leglátványosabb természettudományos kutatási eredménye ad alkalmat a 20. század fizikája talán leghihetetlenebb “történetének” a legújabb fejezetekkel kiegészített összefoglalására.

A testet öltött hiány

1931-ben Pauli az atommagok egyes átalakulásai során keletkező elektronok energiáját megmérő kísérletek eredményét magyarázta meg a neutrínó létezésének feltételezésével. Ha az átalakult atommag mellett egyedül elektron kibocsátására kerülne sor, akkor az energia- és az impulzus megmaradásának törvénye által meghatározott egyetlen energiaértékkel rendelkező elektronokat észlelnének. Az 1. ábrán bemutatott folytonos energiaeloszlás láttán Niels Bohr, aki nem félt megkérdőjelezni a leghagyományosabb igazságokat sem, felvetette azt a lehetőséget, hogy az energia megmaradása esetleg nem teljesül minden egyes magátalakulási eseményben, hanem csak statisztikai átlagban. Ennek a felvetésnek az eredetisége a mai “vákuumenergia-csapolók” képzelőerejével vetekszik. A különbség az, hogy Bohr nem erőltette elképzelését, amikor világossá lett, hogy az egyetlen más folyamatra sem bizonyul alkalmas magyarázatnak. Elfogadta Pauli konzervatív javaslatát, amely feltételezte, hogy az átalakulásban egy semleges, az anyag addig megszokott megjelenéseivel igen gyengén kölcsönható részecske, a neutrínó is emittálódik (2. ábra). Az elektron energiájának folytonos változása annak köszönhető, hogy az elektron és a neutrínó esetről esetre változó arányban osztozik a kezdeti és a végső mag energiakülönbségén. (A természettudós konzervativizmusa abban nyilvánul meg, hogy az olyan általános természeti törvényektől, mint az energia megmaradása, eltérés lehetőségét csak minden egyéb magyarázat világos sikertelensége után hajlandó megfontolni.)

1. ábra. Az E energiájú elektronok gyakoriságára Kurie által javasolt jellemző mennyiség zérus neutrínótömeg esetén egy negatív meredekségű egyenes (folytonos vonal), ami a maximálisan elérhető elektronenergiánál éri el a zérus értéket. Véges neutrínótömeg esetén az egyenes lehajlik a maximális energiához közeledve és az előző eset maximumánál kisebb értéknél éri el a zérust. Az eltérés éppen a neutrínó nyugalmi energiája

 Egy elemi részecske “személyes adatai” annak nyugalmi tömegét, saját impulzusmomentumának nagyságát és a négy elemi kölcsönhatásra való képességének mértékét (erőtörvényét) jelentik. A béta-bomlás energiamérlegének hiányát okozó “tettes személyleírását” a részecskefizikusok közel huszonöt év múltán tudták kísérleti azonosításra alkalmas módon megrajzolni.

2. ábra. A neutron béta-bomlása. A proton és az elektron nem egy egyenesre eső kirepülése utal a láthatatlan harmadik résztvevő, az elektron antineutrínója jelenlétére

 A neutrínó(k) tömegére mindmáig csak felső korlátot, azaz olyan értéket fogalmaztak meg, amelynél a neutrínó(k) tömege bizonyosan kiseb. A nukleáris bomlásban játszott szerepe alapján kötelezően rendelkezik az ún. gyenge kölcsönhatásra való képességgel, de sem erős, sem elektromágneses kölcsönhatását nem észlelték. A gravitációs kölcsönható képesség minden energiát hordozó részecske sajátja, de megfigyelhető gravitációs hatást neutrínók véges sűrűségű sokasága képes csak kifejteni. A gravitációs hatás szempontjából tehát a neutrínóknak az Univerzumban tapasztalható előfordulási gyakorisága az alapvető kérdés.

 Az energia- és impulzushordozó képesség mellett kezdettől fogva tudott volt az is, hogy a neutrínó az elektronhoz hasonlóan 1/2  értékű saját impulzusmomentummal rendelkezik. A béta-bomlás vizsgálata során ugyanis nemcsak energiadeficitet, hanem impulzusmomentum-hiányt is feltárt az “ellenőrzés”. Az ún. Gamow-Teller-típusú magátalakulási reakciókban a végállapoti mag impulzusmomentuma 1  értékkel különbözik a kezdetitől. Ez csak úgy értelmezhető az impulzusmomentum megmaradásának törvényét ért sérelem nélkül, ha az 1/2  értéket “eltulajdonító” elektron mellett a másik részecske is visz ugyanekkora értéket. A /2 páratlan számú töbszörösével egyező impulzusmomentummal rendelkező részecskéket összefoglalóan fermionoknak hívják. Ezekre érvényes a nevezetes Pauli-elv, ami szerint több fermiont tartalmazó állapotban bármely két kiválasztott részecskének legalább egy kvantumtulajdonsága különbözik. A páros számú többszörössel jellemezhető részecskék a bozonok, amelyek nem kényszerülnek a Pauli-elv követésére. A neutrínó(k) tehát fermion(ok).

 Ezzel az észrevétellel megnyílt egy furcsa kérdés feltevése előtt az út. A harmincas évek elejének nagy felfedezése volt Dirac elektron-egyenlete, amely általában arra is rámutatott, hogy az 1/2  impulzusmomentumú részecskéknek létezik azonos tömegű antirészecskéje, amely, ha a részecske elektromágnesesen töltött, akkor a részecskeállapottal ellenkező előjelű és azonos nagyságú töltéssel rendelkezik. Ettore Majorana, olasz fizikus kérdezte meg: lehet-e az elektromos töltéssel nem rendelkező neutrínó sajátmaga antirészecskéje? Tudjuk, hogy a bozonok között vannak olyan elektromosan semleges elemi részek, amelyek önmaguk antirészecskéi, de a neutrínókra ez a kérdés mindmáig eldöntetlen.

 1949-ben a részecskefizikát önálló kutatási területként elindító reakciókban, amelyekben a kozmikus sugárzásban 1947-ben felfedezett müonok ütközését tanulmányozták protonokkal, már szerepet kapott a neutrínó. Negatív töltésű müonok esetében igen gyakran találtak neutronná változott protont a végállapotban (amit egy másik proton meglökése révén tudtak láthatóvá tenni) és újfent hiányzott energia. A kémiai reakcióegyenletek mintájára ezt a reakciót a béta-bomlás reakciójából úgy lehet származtatni, hogy az abban a végtermék oldalon szereplő neutrínót antirészecskeként a másik oldalra hozzuk át, továbbá a reakció irányát időben megfordítjuk. Egyidejűleg az elektront negatív töltésű müonra cseréljük fel, kimondva közben a gyenge kölcsönhatás univerzalitásának elvét, azaz ugyanazzal az erősséggel jellemezve az elektron és a müon gyenge kölcsönhatási intenzitását. Ezt a lépéssort mutatja a 3. ábra.

3. ábra. A béta-bomlás reakcióegyenletének (a) átrendezésével adódó további gyenge kölcsönhatási folyamatok. A neutrínó-neutron ütközés (b) az (a) reakcióból a neutrínónak a végállapotból a kezdőállapotba történt átrendezésével, a (c) reakció (b)-ből a kezdőállapot ésa végállapot megcserélésével adódik. A (c) reakcióból (d)-t a gyenge kölcsönhatás törvényeinek a lepton-párok megváltoztatására vonatkozó univerzalitásának (változatlanságának) kihasználásával kapjuk, úgy, hogy az (elektron, eneutrínó) párt (negatív töltésű müon, müon-neutrínó) párra cseréljük ki

 Reines és Cowan érdeme, hogy ennek a reakciónak az eredeti időrendjét megvalósító kísérleti megfigyelésére vállalkoztak (a 3. ábrasor második reakciója). A vállalt feladat kissé abszurdba hajló mgfogalmazása a következő lenne: 1. Keress olyan környéket, ahol várhatóan sok, nagy energiát hordozó neutrínó tartózkodzik, 2. várj, míg a nem látható (mert elektromos töltés híján nem ionizáló hatású), nagyon ritkán kölcsönható neutrínók egyike ütközik a nem látható neutronnal, 3. észleld a látszólag ok nélkül megjelenő pozitív töltésű proton és negatív töltésű müon vagy elektron jelenlétét mágneses térben ellenkező irányba csavarodó pályájuk ionizációs csíkjának lefényképezésével.

 A valószínűtlen kísérlet azért valósulhatott meg, mert az ötvenes évek elején katonai célokra már működtek maghasadási reakcióval üzemelő nukleáris reaktorok és a két szerző hitt abban, hogy Pauli neutrínói valóban létrejönnek a hasadási termékekből. A feltételezett antineutrínó-nyaláb a magfizikailag instabil, nagy neutronfelesleggel rendelkező hasadási termékek béta-átalakulása során jött létre és az eredeti termékek repülési irányával közel párhuzamosan haladt. Ennek a nyalábnak az útjába tett nagy sűrűségű anyaggal az egyéb termékeket kiszűrték, végül csak a legkisebb kölcsönhatási intenzitású neutrínó(k) maradtak meg. Az így létrehozott neutrínónyaláb újtába hidrogén céltárgyat tettek, azaz a neutrínó-proton ütközés esélyét teremtették meg. A jelet a kirepülő pozitron és a visszamaradó (és kissé visszalökődő) neutron adta. A pozitront a környezet elektronjaival történő elektromágneses szétsugárzásában keletkező gammarészecskék detektálásával vették észre. A visszalökött neutront pl. kadmiumabszorbenssel fogják be, amelynek során a neutron mozgási energiafeleslege szintén fotonok formájában sugárzódik ki. Az 1955–56-ban elvégzett kísérletekben a Savannah, River reaktornál négyzetcentiméterenként és másodpercenként ezer milliárd antineutrínó repült a céltárgy felé. Óránként három eseményt figyeltek meg, ami világosan mutatja a neutrínó szélsőségesen gyenge kölcsönhatási képességét.

 Hasonló reakciókat lehet elvégezni olyan neutrínófluxus felhasználásával, ami az elektronnál közel négyszázszor nagyobb tömegű müon elbomlásakor keletkezik. Müonnyalábot először az ötvenes évek elején Brookhavenben állítottak elő, azóta a részecskegyórsítóknál előállított másodlagos neutrínónyalábok fő forrása. Nagyon fontos megfigyelésnek bizonyult az a megállapítás, miszerint az ilyen neutrínók által a gyorsítók közvetlen közelében indukált reakciókban a vétermékek között soha nem lehet elektront (pozitront) észlelni, csak műont (antimüont). Ennek bizonyításában a magyar Telegdi Bálint is fontos szerepet játszott. Azt a szabályszerűséget mondták ki, hogy annyi különböző neutrínó létezik, ahány fajta töltött lepton. 1977 óta, amikor Martin Perl vezetésével Stanfordban felfedezték a tau-részecskét – a legnehezebb, olyan fermiont, amelynek nincs erős kölcsönhatása –, azt sejtjük, hogy háromféle neutrínó létezik, bár a tau-részecskék neutrínóját még nem észlelték egyetlen kísérletben sem. Ugyanakkor a hatvanas évek óta (elsőként B. Pontecorvo felvetése alapján) egyre erősödik az a kísérleti irányzat, amely azt a kérdést szeretné tisztázni: vajon a kirepülő neutrínó elegendő hosszú idő elteltével (út megtételével) megváltoztathatja-e természetét, pl. az elektron neutrínója minden beavatkozás nélkül átalakulhat-e a műon neutrínójába és vissza? Esetleg megtörténhet-e spontán átalakulás olyan neutrínófajtába, amely egyátalán nem hat kölcsön, a gravitációt leszámítva, a kozmikus környezetünkben elhelyezkedő anyaggal? Ezt a hipotetikus neutrínóállapotot hívják nyilvánvaló okokból steril neutrínónak. A röviden neutrínó-oszcillációnak nevezett jelenségcsoport létezésének a megválaszolása szoros kapcsolatban van azzal a kérdéssel, hogy van-e és mekkora a neutrínóknak a tömege.

A neutrínó tükörképének hiánya

Az 1956-os év a természettudományos ismeretek történetében a konzervatív kutatói alapmagatartást leginkább próbára tevő, a legnagyobb elfogulatlanságot (kutatói bátorságot) megkövetelő év volt. A részecskefizika úttörői közül sokan ezt az évet a “Dicsőséges forradalom” (Glorious Revolution) évenként emlegetik. Az ekkor végzett klasszikus kísérletek értelmezésére alkotta meg T. D. Lee, C. N. Yang, M. Gell-Mann és R. P. Feynman a gyenge kölcsönhatásnak azt az elméletét, amely lemondott a természet alapvetőnek hitt szimmetriái közül a térbeli tükörkép-állapotok egyenrangú létezésének, majd a hatvanas években a reakciók időiránybeli megfordítottjainak azonos gyakorisággal való előfordulása klasszikus elveiről.

 Az ötvenes évek első felében kaonokkal végzett részecskefizikai kísérletekben felgyűlt kísérleti megfigyeléseket értelmező elméleti munkák nyomán C. S. Wu és munkatársai 1957-ben nagyon világos, közvetlenül értelmezhető kísérlettel arról győzték meg a kutatókat, hogy a béta-bomlásban kibocsátott elektronnak a kirepülési iránya és a saját impulzumomentumának erre az irányra vetített értéke között szoros korreláció van. A tükrözési szimmetria alapján azt várnánk, hogy a lehetséges kvantátl vetület-érték közül a +1/2  és a -1/2 azonos eséllyel valósul meg, azza a kirepülés irányára mért vetület átlaga zérus.

 A kobalt 60-as izotópjának a nikkel 60-as izotópjába történő, Gamow-Teller-típusú átalakulásakor azt találták, hogy kizárólag a negatív vetületű állapottal rendelkező elektronok keletkeznek. Ezt az állapotot “balkezes” elektronállapotnak nevezik és az elméleti következtetés az, hogy a gyenge kölcsönhatásban az elektronnak csak ez az állapota képes résztvenni. Hangsúlyoznunk kell, hogy az elektronnak a mozgás irányára vetített pozitív impulzusmomentumú állapota más (elektromágneses) kölcsönhatással megvalósítható, a tükrözési szimmetria sérülése nem az elektron objektumának a tulajdonsága, hanem a gyenge kölcsönhatás természetének a sajátossága. A pozitronnak, mint az elektron antirészecskéjének gyenge kölcsönhatásaira a “jobbkezes” állapot kizárólagos részvétele a jellemző.

 A neutrínó-történet egyik legcsavarosabb kísérletével M. Goldhaber és munkatársai alig egy év múlva, 1958-ban ezt az effektust a neutrínóra is kimutatták. A kísérlet során az európium 152-es tömegszámú izotópjának atomjában a legbelső eletronpályáról elektronbefogás történik a magba, amely a szamárium 152-es izotópja egy gerjesztett állapotának, valamint egy neutrínónak a keletkezéséhez vezet. Az impulzus megmaradása törvényének megfelelően a neutrínó által elvitt impulzust a szamárium visszalökődése ellensúlyozza.

 A gerjesztett szamáriummag foton kibocsátásával éri el alapállapotát. Az impulzusmomentum megmaradása követelményeinek elemzésével megmutatható, hogy amennyiben a szamárium mozgásirányával azonos irányban kirepülő fotont figyelünk meg, a foton impulzusmomentumának a mozgásirányra vett vetülete azonos előjelű a neutrínó impulzusmomentumának a saját mozgásirányára vett vetületével. Ezzel az elemzéssel Goldhaber alkalmas kiválasztott fotonok és impulzusmomentum-vetületük észlelésére “játszotta át” a neutrínó tulajdonságának megmérését. Az eredmény szerint a pozitron kibocsátásával egyidőben keletkező neutrínó “balkezes” (azaz impulzusmomentumának mozgásirányú vetülete mindig negatív), az elektron kibocsátásával együttjáró antineutrínó “jobbkezes”.

 Az elektrontól eltérően azonban a neutrínók csak a gyenge kölcsönhatásban vesznek részt. Tehát nincs mód egyéb módszerrel arról meggyőződni, létezik-e egyáltalán a neutrínó jobbkezes állapota. A részecskefizika standard (legszélesebben elfogadott) elméleti leírásában azt a “leggazdaságosabb” feltételezést teszik, hogy a természetben csak balkezes neutrínó és jobbkezes antineutrínó létezik. Vannak kiterjesztett modellek, amelyekben szerepelnek az ellenkező impulzusmomentum-vetületű állapotok. A modellek közti választás kérdését ebben az esetben is a neutrínó(k) tömegének meghatározásával lehet a legkönnyebben megragadni.

A neutrínó tömege

Az előzőek összefoglalásául megfogalmazzuk a fentebb feltett három kérdésre adható elméleti választ. A válaszok a neutrínó tömegének értékéhez kapcsolódnak.

 1. kérdés: Antirészecskéje-e önmagának a neutrínó?

 Válasz: Ha a neutrínó tömege zérus, az antirészecskéjével azonos és az attól különböző neutrínó kérdését kísérletileg nem lehet eldönteni, feltéve, hogy csak a balkezes neutrínó (és jobbkezes antirészecskéje) vesz részt kölcsönhatásokban. Ugyanis a két eset matematikailag azonos a mondott feltételek mellett.

 2. kérdés: Átalakulhatnak-e egymásba a különböző neutrínók spontán módon?

 Válasz: Ha a neutrínók mindegyike zérus tömegű, akkor az átalakulás nem következhet be.

 3. kérdés: Létezik-e jobbkezes neutrínó?

 Válasz: Ha a neutrínónak van tömege, akkor jobbkezes állapota is megvalósul és ki is mutatható. Ha a neutrínó tömege zérus, akkor jobbkezes állapota, ha létezik is, steril (nem észlelhető részecskefizikai kölcsönhatással).

 A válaszok érzékeltetik, miért olyan nagy a neutrínók tömegének meghatározása utáni érdeklődés. Az alábbiakban azokat a megfigyeléseket vesszük sorra, amelyek arra utalnak, hogy legalább egy neutrínónak nullától különböző nyugalmi tömege van. E megfigyelések közül a legmegbízhatóbbak asztrofizikai kísérletekből származnak.

 A tömeg közvetlen megnyilvánulásának vizsgálatára a neutron vagy a müon bétabomlásában keletkező elektron energiaeloszlásának viselkedése a legalkalmasabb a maximális kinetikus energia körüli végpontnál. Az 1. ábrán látható két görbe közül a folytonos a zérus neutrínótömeg feltevésével adódik, a szaggatott pedig azt az esetet írja le, amikor a neutrínónak nem zérus a nyugalmi tömege. Az elektronnak a zérus tömegű esetben számított energiaeloszlását alkalmas szorzótényezővel “átskálázva” és a kapott mennyiségből gyököt vonva, Kurie nyomán az energiától lineárisan függő mennyiséget kapunk, amely az energia maximális értékénél válik zérussá. Az 1. ábrán ezt a mennyiséget ábrázoljuk az energia függvényében. Ha a neutrínó nyugalmi energiája nem nulla, a görbe a maximális energiát megközelítve eltér a lineáristól. Tretyakov (1976), majd Ljubimov (1980) vezetésével egy moszkvai kutatócsoport közel 30 eV nagyságú neutrínótömeg értéket becsült meg a linearitástól való eltérés mértékéből. A bomlás egy vegyületben kötött tricium mag neutronjában következik be, ami nagyban nehezíti a mérések kétséget nem hagyó interpretálását. A kísérleteket azóta 7-8 csoport is megismételte, aminek alapján állítható, hogy az elektron-neutrínó tömege nem nagyobb 15 eV/c2-nál. Meg kell említeni, hogy egyes csoportok szignifikáns elektrontöbbletre jutottak a végpont tartományában, amit formálisan csak negatív neutrínó-tömegnégyzettel lehet leírni! Ez jelentheti, hogy továbbra sem értjük teljesen a molekulaszerkezet hatását a béta-bomlására, de vannak kutatók, akik szerint a neutrínónak az eddig ismertektől különböző kölcsönhatása áll a háttérben. (Ez egy kicsit sok lenne már a neutrínó révén nyert természettudományi örömökből...) Azt mondhatjuk, hogy a közvetlen tömegmérés sokkal nehezebb feladatnak bizonyul, mint ahogy első ránézésre a hetvenes évek elején tűnt.

 A tömegre közvetve, de egyértelműen utaló neutrínó-oszcilláció jelenségét földi gyorsítókban előállított neutrínónyalábokkal mindeddig nem sikerült észlelni. A müon bomlásából keletkező müon-neutrínó esetleges átalakulása másik fajta (elektron- vagy tauneutrínóba) a keletkezés helyétől a két tömeg négyzetének különbségével fordítva arányos távolságban következik be. A negatív eredményű kísérletek egyre kisebb felső korlátot adnak erre a mennyiségre, az új kísérletekben a keltés helyétől egyre nagyobb távolságra kell megfigyelni a detektálásra használt indukált reakciót. Jelenleg több kísérlet előkészítése folyik, amelyben a távolságot többszáz kilométerre növelnék. A legnagyobb figyelmet kiváltó kísérletben a japán részecskefizikai központban (KEK, Tsukuba) előállítandó nyalábbal a Kamioka-hegységben megépült neutrínódetektort szeretnék besugározni és megvizsgálni a neutrínótípus megváltozására utaló reakciók bekövetkezését. Az alább ismertetendő nem gyorsító eredetű neutrínókra vonatkozó megfigyelések tükrében van esély egy olyan világkísérlet megvalósítására, amelyben mondjuk a japánok által előállított nyalábot úgy irányítják, hogy a Föld belsején áthaladva pl. a közép-olaszországi Gran Sasso-hegység gyomrában felépített neutrínódetektort sugározza be.

 A kozmikus térben haladó neutrínók állapotváltozására természetesen nagyobb távolságok állnak rendelkezésre. A neutrínók detektálására azok hihetetlenül gyenge kölcsönhatási intenzitása miatt csak óriási mennyiségű detektáló anyag felhasználásával van esély. Ezért a megfigyeléseket egyelőre a Földre kell korlátozni, és csak olyan objektumokat lehet tanulmányozni, amelynek neutrínókeltési mechanizmusára biztos elképzeléseink vannak. A kozmikus eredetű neutrínók e szempontnak eleget tevő, legbiztosabb megnyilvánulásának a csillagokban zajló, azok elektromágneses (fény)energiáját is szolgáló magreakciók némelyikében kibocsátott neutrínókat tartják.

A Napneutrínó deficit

A 4. ábrán látható, hogy a hidrogénmagok fúziójával keletkező deuteronnal induló ún. protonlánc folyamatainak 86%-ában a 4 nukleont tartalmazó, stabil hélium (He), az alfarészecske jön létre, miközben a szükséges kétszer három pontból kettő újra elemi állapotban kerül vissza a proton-proton fúziós keverékbe. A többlépéses reakció során a deuteron keletkezéséhez egy pozitron kibocsátásával (pp) vagy egy elektron befogásával járó (pep) gyenge kölcsönhatási reakcióra van szükség. Ezek neutrínót is termelnek. Jelentős járulékot ad még a csillag neutrínófluxusához a három nukleonos héliumizotóp és az alfa-részecske ütközésével induló ág is, amelyben a hét nukleonos berillium (Be), illetve a nyolc nukleonos bór (B) átalakulásai között találunk gyenge kölcsönhatási (neutrínót termelő) folyamatot. A Napból érkező elektron-neutrínó fluxus egyes komponenseit az 5. ábrán mutatjuk be. Az eredetileg H. Bethe által elvégzett számolásokat a 4. ábrában feltüntetett magreakciók jellemzőinek egyre pontosabb földi mérésekből származó kísérleti adataival újra és újra elvégzik és a spektrum adatait a detektor detektálási hatékonyságával összevetve, számszerű előrejelzést fogalmaznak meg a naponta (hetente, havonta, évente) várt, neutrínók által indukált reakciók számára vonatkozóan.

4. ábra. A csillagokban végbemenő legegyszerűbb energiatermelő folyamatok, amelyek hidrogén, majd hélium elégetésével a könnyű elemek magjait állítják elő. A deuteron (d) és a proton (p) ütközséével keletkező három nukleont tartalmazó hélium-izotóp továbbégésének három lehetséges módját tünteti fel az ábra a százalékos relatív gyakoriságot minden ág mellett megadva. A szokásos magfizikai reakcióegyenletben használt jelölés szerint az egyik reagens a zárójel előtt, a reakcióba belépő többi mikroobjektum a zárójelben az első helyen jelenik meg. A reakciótermékek közül a keletkező atommag a zárójel után, az egyéb termékek pedig a zárójel második helyén találhatók meg

 A Földön épült, a Nap neutrínóinak észlelésére szolgáló detektorok közül a Gran Sasso-hegységben és a Kaukázusban létesítettekben a neutrínónak a galliummagját germániumba átalakító reakcióját figyelik meg. Az 5. ábra tetején látható nyilak mutatják, hogy ezek a kísérletek a Nap-neutrínó spektrumnak az egészére érzékenyek. Az Egyesült Államok Homestake aranybányájában épült fel az a mintegy 450 ezer liter széntetrakloridot tartalmazó detektor, amelyben a klór magjának argonná átalakulását kémiai elemzés útján kimutató berendezésel először kísérelték meg a Nap-neutrínók észlelését. A raymond Davis javaslatára a hetvenes években kezdődött megfigyelések értelmezésének pontosítása majd két évtizedet vett igénybe. Ma a három mérés egyaránt arra a végkövetkeztetésre vezet, hogy a Nap-neutrínó fluxusának a Bethe-féle csillagmodell alapján számított értékéhez tartozóan várt reakciógyakoriságnak csak legföljebb felét észlelik a Földön. Ezt nevezzük a Nap-neutrínók deficitjének.

 Kétségtelen, hogy a jelenség komplexitása óriási és a neutrínóhiány okát nem könnyű lokalizálni. A kísérleti berendezések apró részletekbe menő megértését szolgáló évtizedes vizsgálódások után a mérések szisztematikus hibája kizárható. De nem zárható ki a Nap működésére vonatkozó elképzelések nem kielégítő volta. Lehetséges, hogy a Nap-modellben figyelmen kívül maradt ciklikus működés okán az elmúlt évtizedben éppen egy alacsony neutrínóaktivitású időszakot figyelhettünk meg, amelyre évtized múltán nagyobb intenzitású időszak következik. Ezért kiemelt figyelemmel tanulmányozzák a megfigyelési idősorokban esetleg tükröződő időbeli változásokat. A 4. ábrán szereplő magreakciók jellemzőinek a Napban igen alacsony energián érvényes jellemzői játszanak szerepet. Ezeknek földi körülmények közötti tanulmányozása éppen az asztrofizikai kísérletek alapján csak az elmúlt években kapott újabb lendületet. Kérdéses persze, hogy ezek az effektusok alkalmasak-e a neutrínók fele eltűnésének megmagyarázására. Mindenesetre világos, hogy az asztrofizikai neutrínók megfigyelése a földön folyó egyik legkomplexebb, hosszútávú természettudományos vizsgálódás.

5. ábra. A Nap-modell neutrínótermelő reakcióból származó, a Földön megfigyelhető neutrínófluxus egyes komponensei. A legfontosabb magreakciók járulékának energia szerinti eloszlását külön-külön ábrázoljuk. A kétrészecskés végállapotra vezető reakciókban egyetlen neutrínóenergiánál jelentkeznek a végső neutrínók. A háromrészecskés végállapot esetén a neutrínók energiaeloszlása folytonos. Az ábra Bahcall és Pinnonsault 1998-as számításának eredményeit mutatja be. Az ábra tetején látható, jobbra mutató nyilak a legfontosabb földi detektorokban használt detektoranyagok energia szerinti érzékenységi tartományait jelzik

 Témánk szempontjából az az eshetőség a legígéretesebb, hogy az elektron neutrínók deficitjét egyszerűen más neutrínókba történő átváltozásuk okozza a Nap–Föld-távolságon. Ebből becslés vezethető le a kétfajta neutrínó tömegnégyzetének különbségére.

 1998 kor nyarán a Japánban tartott Neutrínó-98 konferencián a Super-Kamiokande amerikai-japán kutatócsoport másfél éves megfigyelés eredményeiről számolt be, amelyben a légkörbe érkező kozmikus sugárzás ütközései hatására keletkező neutrínók fluxusát tanulmányozták. Ettől kezdve egy második típusú megfigyelés eredményeit is össze kell vetni a Nap-neutrínó kísérletek következményeivel, amelynek ellentmondásmentes megvalósíthatósága egyáltalán nem magától értetődő.

Az atmoszferikus neutrínó deficit

Az 5. ábra tetején látszik, hogy az 199 nyarán kiemelkedő érdekességű eredményról beszámoló Super-kamiokande (Super-K) detektor a neutrínóspektrum nagyenergiájú tetejére érzékeny. A gyengébb Nap-neutrínó érzékelési képességet a nagyenergiás neutrínók nagy hatékonyságú észlelése ellensúlyozza. Ennek a detektornak az elődjével sikerült 1978-ban az SN1978 szupernova robbanását követően a végállapotban visszamaradó neutroncsillag keletkezésekor kilökött neutrínókat észlelni, és ezzel a szupernóvák természetére vonatkozóan óriási értékű információkhoz jutni. 1998 kora nyarán 535 napos megfigyelési időszak eredményeit mutatták be.

 A Super-K detektorhoz a földi atmoszféra minden pontján keletkező neutrínókból eljutnak a keletkezésükkor megfelelő irányú impulzussal rendelkezők. A Föld mágneses terének a kozmikus sugárzás atmoszférikus eloszlására gyakorolt hatását szerencsére a detektor érzékenységébe tartozó energiatartományban már csak kis korrekcióként kell figyelembe venni. A neutrínók különböző hosszúságú útján a Föld belsejének különböző vastagságú rétegével van esélyük kölcsönhatásra. Ez utóbbi zérus tömeg esetén is okozhatja a neutrínók konverzióját más neutrínó-fajtába. A megfigyelések tehát a spontán átalakulás mellett az anyaggal való kölcsönhatás szuperponálódását is vizsgálják. Ugyanakkor nem egyetlen adatot, hanem a detektornak a keletkezési ponthoz képesti látószöge függvényében változó intenzitások sorozatát mérték meg. A neutrínók számában a nem-zérus tömegkülönbség okozta oszcillációkból adódó deficitre előrejelezhető látószög-függést tapasztalták!

 A felső légkörben a kozmikus sugárzás hatására pionok keletkeznek. Ezek bomlása részben müonba és müon-neutrínóba történik. A müon további bomlását elektronba egy müon-antineutrínó és egy elektron-neutrínó keletkezése kíséri. Így legdurvábban a neutrínónyaláb összetételében a müon-neutrínóknak az elektron-neutrínókhoz viszonyított aránya 2:1.

 A Super-K detektor 50 000 tonna vizet tartalmazó tartály. A beérkező neutrínók a víz hidrogén- és oxigénmagjainak nukleonjaival kölcsönhatva a megfelelő típusú töltött leptont keltik. A nagysebességű töltött részecskék jellegzetes Cserenkov-sugárzást bocsátanak ki, ami észlelésük alapja. A kísérletben a müon-neutrínók által indukált események arányát határozták meg az elektron-neutrínó keltette eseményekhez képest. A hányados mérése azért szerencsés, mert a természeti jelenségből származó neutrínófluxus meghatározása nagyon bizonytalan. A bizonytalanság a kétféle neutrínóra azonos, tehát a hányadosból kiesik.

 Miután a Föld felszínéhez közeli detektorhoz legközelebbi keletkezési pont távolsága mintegy 15 km, az átellenesen legtávolabbi 13 000 km, jelentős eltérés várható, amennyiben az oszcilláció karakterisztikus távolsága a kettő között van. A megfigyelt neutrínók energiája a 100 MeV és 10 GeV közötti tartományba esett. Összesen 4353, a detektor belsejébe eső eseményt detektáltak. A teljes energiatartományban a müonos eseményeknek az elektronos típusúakhoz képesti hiányát állapították meg minden látószögre. Az elméleti várakozást a detektorba érkező neutrínók és a detektor anyagának kölcsönhatását szimuláló számítógépes eljárással határozták meg. A mért hányadosnak a várthoz képesti értéke 0,65-höz közeli volt. A műon-neutrínó eredetű eseményekben tapasztalt erős látószög-függéssel szemben az elektron-neutrínós eseményeknél ilyen függést nem tapasztaltak.

 Az adatokhoz legjobban illeszkedő magyarázatot a müon-neutrínónak egy, az elektronneutrínótól különböző neutrínófajtába történő konverziója nyújtja. Ez lehet a tau neutrínója vagy ún. steril neutrínó. A tömegnégyzetbeli különbség értékét az elemzés hibahatárai között a 0,0005 ésa 0,006 érték közé helyezték. A Nap-neutrínó kísérletekkel az eredmény látszólag nincs ellentmondásban, ha azt tételezzük fel, hogy az ott észlelt hiány az elektron-neutrínóknak szintén a tau-neutrínókba történő átalakulása miatt jelentkezik. Azonban másodlagos hatásként a tau-neutrínóba konvertálódó elektronneutrínó végül müon-neutrínóként is regenerálódhatna, amire egyáltalán nem mutatkozik utalás. Ezért többen feltételezik, hogy egy steril negyedik neutrínó (a gyenge kölcsönhatásnál sokkal kisebb erősségű kölcsönható képességgel) is belép az átalakulási partnerek közé. Ha a müon-neutrínó tau-neutrínóba alakul át, akkor az elektron neutrínó a napból jövet egy steril neutrínóba alakul, vagy fordított partnerekkel történik meg a konverzió. Mindezek miatt a tau-neutrínók eddig eredménytelen megfigyelésének programja alapvetően fontos kísérleti iránnyá lépett elő.

 A megfigyelni vélt tömegkülönbség olyan kis érték, amelynek tükrében a földi gyorsítókból származó neutrínó-nyalábok átváltozási mértékének megfigyelése jóval nehezebb feladat lesz, mint a korábban tervezett kísérletek előkészítésénél azt gondolták. Ezért lehet szükség a Föld átellenes pontján lévő gyorsító neutrínóforrás és detektor alkalmazására.

 Az új, meglepően kicsiny tömegskála megértésére az elméleti fizikusok azonnal mechanizmusokat javasolnak a neutrínó tömegének fizikai eredetére. Ha a többi elemi rész tömegének eredetére vonatkozó ideákkal azonos jellegű elképzelést részesítenek előnyben (az ún. Higgs-mechanizmust), akkor meglepő módon egy nagyon magas energiaskála is megjelenik. Ez nem más, mint a ma elfogadott elmélet kiegészítése érvényességének felső energiahatára. A neutrínó-tömegkülönbség 0,01 eV értéke esetén ez a felső határ 1015 és 1016 GeV közé eshet. A most megsejtett új nagyenergiás skála környékén bekövetkező változások lehetséges leírásainak kidolgozása nagy lökést adhat az elméleti részecskefizikai kutatásoknak. Miután a tömegből elkerülhetetlenül következő jobbkezes neutrínó beillesztése az elemi részek rendszerébe a standard modell bővítését igényli, valamint aktuálissá válik Majorana kérdésének tanulmányozása is, világos a részecskefizikusok intenzív érdeklődésének oka az ismertetett asztrofizikai eredmények iránt. De az asztrofizikusok legalább ennyire izgalmasnak találják a legutóbbi fejleményeket...

Neutrínójárulék az Univerzum sötét (hiányzó) tömegéhez

A csillagok galaxisokbeli viszonylagos mozgásának vizsgálata megbízhatóan jelzi, hogy a fénykibocsátással látható anyag mellett jelentős mennyiségű sötét anyagot tartalmaz kozmikus környezetük. Ez, a szokásos csillagászati eszközökkel nehezen, vagy egyáltalán nem hozzáférhető komponens az Univerzum globális mozgása szempontjából döntő fontosságú. Annak az anyagsűrűségnek, amely a táguló globális mozgás megfordításához szükséges, alig tizede van elektromágnesesen sugárzó (“látható”) formában. Az asztrofizika egyik központi kérdése a sötét anyag összetevőinek és az általuk az Univerzum teljes energiasűrűségéhez adott járuléknak a meghatározása. A sokféle javaslat közül a tömeggel rendelkező neutrínók lehetőségét Dolgov és Zeldovics vetették fel a hetvenes évek elején. Az ismertek akkori szintjén jelentős hozzájárulást tett az elképzelés részleteinek kidolgozásához Szalay Sándor és Marx György.

 Az Univerzum megfigyelt energiájának túlnyomó része fotonsugárzás formájában van jelen, a protonok és neutronok által hordozott energia egy milliárdod része a fotonokénak.[1] A neutrínóknak az energiasűrűséghez adott járuléka leírásához először azzal a kérdéssel foglalkozunk, hogy hány neutrínó található egy köbcentiméter térfogatban az Univerzum mai állapotában.

 A forró Univerzumban a részecskék, köztük a neutrínók, gyakori ütközéseik révén termikus egyensúlyban vannak. Az Univerzum tágulása során az ütközések bekövetkezési gyakorisága a részecskék távolodása miatt csökken. Azon a hőmérsékleten, amelyen az Univerzum relatív tágulási sebessége meghaladja a neutrínó ütközéseinek bekövetkezési gyakoriságát, megszűnnek a részecske kölcsönhatásai. Az ebben a pillanatban észlelt hőmérsékletet hívják a neutrínó lecsatolódási hőmérsékletének. Ettől a pillanattól kezdve a részecske nem tud más részecskévé alakulni, az ebben a pillanatban még érvényes termikus egyensúlyból számítható sűrűségének változása csak az Univerzum tágulása következtében fellépő hígulásból fakad.

 A neutrínók lecsatolódási hőmérséklete mintegy 35 milliárd K. Azóta lényegében kölcsönhatásmentes ideális gázként hűlnek a különböző neutrínófajták. A fotonok sűrűségéhez viszonyítva, amit a kozmikus háttérsugárzás méréséből jól ismerünk, a neutrínók sűrűsége csak legfeljebb egy nagyságrenddel kisebb. Ez óriási szám a nukleonokéhoz képest. Ez azt jelenti, hogy mintegy 100 neutrínó van köbcentiméterenként a környezetünkben, neutrínófajtánként.

 Tömeggel rendelkező neutrínóban gondolkodva belátták, hogy a tágulás miatt impulzusuk (és ezzel a “kinetikus” energia) nagyon csökkent. Tehát a teljes energiasűrűséghez adott járulékukat a neutrínók nyugalmi tömege dominálja. Feltéve, hogy csak a tau-neutrínó tömeges, a többi pedig zérus tömegű számsűrűségükkel beszorozva az oszcillációból így adódó 0,01 eV/c2tömegértéket, a neutrínók tömegsűrűségére 10-32 g/cm3 adódik. Ez több nagyságrenddel kisebb az ún. kritikus sűrűségnél. Ebben az esetben a neutrínók kozmológiai szerepéről le kellene mondani. Természetesen a tömegkülönbség értéke úgy is lehet igen kicsi, ha nem egyetlen neutrínó-fajtának van tömege. Feltéve, hogy a három neutrínófajta mindegyike tömeges és tömegük közel van a trícium bomlásból javasolt 10 eV/c2 nagyságrendű értékhez, akkor az energiajárulék nagysága a 10-29g/cm3-t meghaladná és a neutrínók fontos komponensei lennének az Univerzum teljes energiasűrűségének. Ez esetben a neutrínók gravitációs hatása feltétlenül szerepet játszott a magas hőmérsékleten homogén eloszlású anyag őscsomóinak kialakulásában.

(Időleges) Befejezés

A történet messze nem teljes. Remélhető, hogy kivívja az olvasó méltatlankodással vegyes csodálatát az elemi részek fizikája iránt. Mondhatja, hogy a “spekulatív megismerésnek ezek a bajnokai” minden negatív (a várakozások nem teljesülését mutató) kísérleti eredményt a történet elbonyolításával oldanak meg, ahelyett, hogy eldobnák az egész neutrínó-történetet és új történet írásával próbálkoznának. Nem szabad elfelejteni azonban, hogy a hiány megszemélyesítéséval megalkotott kezdeti neutrínó elképzelés helyébe mára megbízhatóan kezelt, tervezhető tulajdonségú, nagy intenzitású neutrínónyalábok léptek, amelyekkel megbízhatóan lehet végezni pl. olyan kísérleteket, amelyek a proton kvarkszerkezetéről adna kértékes felvilágosítást.[2] A történet hiányosságának hangsúlyozása, a tökéletesség látszatának az elhárítása is a racionális kutatói magatartás része és a jelenleg még sötétben maradt kérdésekre adandó válaszok tekintetében is az asztro-részecskefizika lendületes fejlődésébe vetett bizalmunk megnyilvánulása.
 
 
 

1. Érdekes, hogy ezt a konklúziót a könnyű elemek magjainak kozmikus gyakorisági adatai értelmezéséből lehet levonni, amelynek elemzésében a jobbkezes neutrínó létezését figyelembe kell venni.
2. Ezekről nem szóltunk, mert a neutrínó bennük a kutatásnak eszköze és nem tárgya.