iPon Cikkek

A kozmosz kaméleonjai

Dátum | 2015. 10. 08.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A 2015-ös fizikai Nobel-díjat Kadzsita Takaaki és Arthur B. McDonald kapta, akik kulcsszerepet játszottak azon kutatócsoportok munkájában, amelyek felfedezték a neutrínóoszcillációt, illetve igazolták, hogy a neutrínóknak van tömege. A két kutató és kollégáik munkája rendkívül jelentős, mivel eredményeik ellentmondanak a részecskefizikai standard modellnek. Világunk tele van neutrínókkal: minden másodpercben több ezer milliárd repül keresztül testünkön ezekből az elemi részecskékből, annak ellenére, hogy sem látni, sem érezni nem tudjuk ezeket. A neutrínók ugyanis nagyon ritkán kerülnek interakcióba az anyag más részecskéivel, így aztán kutatásuk is komoly nehézségekbe ütközik. A minket körülvevő neutrínók eredete sokféle lehet. A Földet elérő neutrínók többsége a Napban zajló folyamatok során keletkezik, de akadnak a részecskék közt olyanok is, amelyek az ősrobbanás során keletkeztek, mások szupernóva-robbanásokban jöttek létre, megint mások az atomerőművekben, illetve a természetben zajló nukleáris bomlási folyamatok során képződtek. Testünk másodpercenként nagyjából 5000 neutrínót bocsát ki magából, amelyek a kálium egyik izotópjának bomlása során keletkeznek.
Arthur B. McDonald és Kadzsita Takaaki
Összességében elmondható, hogy a fotonok után a neutrínók a második legnépesebb részecskecsoport a világegyetemben, létük ennek ellenére sokáig teljesen rejtve maradt az emberiség előtt. Létezésüket először Wolfgang Pauli osztrák fizikus, 1945 fizikai Nobel-díjasa vetette fel 1930-ban, mivel másként nem tudta megmagyarázni a béta-bomlás folytonos energiaspektrumát. Az említett év decemberében Pauli azóta híressé vált levelet írt kollégáinak, amelyet így kezdett: „Kedves Radioaktív Hölgyeim és Uraim…”. Ebben a levélben a fizikus felvázolta, hogy elképzelhető, hogy a bomlás során felszabaduló energia egy részét elektromosan semleges, az anyaggal gyengén kölcsönhatásba kerülő, nagyon könnyű részecskék viszik magukkal. Pauli maga nem nagyon hitt ezek létezésében, ráadásul rögtön rájött teóriája másik súlyos következményére is. „Szörnyű dolgot cselekedtem, felvetettem egy olyan részecske létezésének lehetőségét, amelyet nem lehet detektálni” ‒ mondta egy alkalommal. Nem sokkal később az olasz Enrico Fermi (Nobel-díj 1938) továbbfejlesztette Pauli ötletét, és az új részecskéket neutrínóknak, „semlegeskéknek” nevezte el. A részecskék tényleges felfedezésére csak egy negyedszázaddal később került sor. Az ötvenes évektől számos atomerőmű kezdett működésbe, amelyek ontották magukból a neutrínókat, lehetőséget adva ezek esetleges vizsgálatára is. Végül 1956 júniusában két amerikai fizikus, Frederick Reines (Nobel-díj 1995) és Clyde Cowan voltak az elsők, akiknek sikerült közvetlen módon kimutatniuk a neutrínók létezését, vagyis kiderült, hogy a Pauli által észlelhetetlennek hitt részecske valóban létezik. A neutrínók története azonban ezt követően is tovább bonyolódott. A részecske észlelését követően ugyanis rövidesen kiderült, hogy a neutrínók több szempontból is nagyon furcsán viselkednek. Amikor az 1960-as években a fizikus kiszámolták, hogy mennyi neutrínó keletkezik a Napban, majd lemérték, hogy ebből mennyi éri el a Földet, azt tapasztalták, hogy a várt részecskék kétharmada hiányzik.
A napneutrínó-probléma megoldására sokan sokféle válasszal álltak elő. Egyesek szerint a Nappal kapcsolatos modellekben, mások szerint a neutrínók kapcsán elvégzett elméleti számításokban lehetett a hiba, és az is felvetődött, hogy talán a neutrínók valamiképpen átalakulnak, mire a Földre érnek. A részecskefizikai standard modell szerint háromféle neutrínó létezik, az elektronneutrínó, müonneutrínó és tauneutrínó, amelyek mindegyike kapcsolatba hozható egy másik, negatív töltésű leptonnal, az elektronnal, a müonnal és a tau-részecskével. A Napban kizárólag elektronneutrínók képződnek, így a szakértők felvetették, hogy ha a különböző neutrínótípusok képesek egymásba átalakulni, vagyis oszcillálni, az megmagyarázhatja, hogy miért észlelhető háromszor kevesebb elektronneutrínó a vártnál, hiszen a használt detektorok a másik két típust nem képesek detektálni. A neutrínók egymásba alakulásával kapcsolatos elmélet sokáig puszta spekuláció maradt, mivel egyszerűen nem álltak rendelkezésre a technikai feltételek valóságosságának ellenőrzésére. A részecskék detektálása óriási, földalatti detektorokban történik, hogy a méréseket ne zavarja a kozmikus sugárzás és a felszíni környezet háttérzaja, de még is így nagyon nehéz kiszűrni az igazi neutrínójeleket az adathalmazból. A helyzetet tovább nehezíti, hogy a detektorokat körülvevő levegőben, és az érzékelők anyagában is történnek olyan bomlási események, amelyek megzavarhatják az eredményeket. Arra pedig valóban csak a 20. század legvégére nyílt lehetőség, hogy olyan detektorok épüljenek, amelyek együttes erővel már mindhárom neutrínótípust képesek észlelni. Az egyik neutrínókutatásban kulcsfontosságú szerepet kapott létesítmény az 1996-ban működésbe lépett Super-Kamiokande, amely Tokiótól 250 kilométerre, egy cinkbányában foglal helyet, a másik pedig az 1999-tól üzemelő Sudbury Neutrínó Obszervatórium, amely egy nikkelbányában épült meg Ontarióban. A Super-Kamiokande ezer méterre a földfelszín alatt található, és nagyját egy 50 ezer tonna vizet tartalmazó, 40 méter magas tartály teszi ki. A víz olyannyira tiszta a detektorban, hogy a fény 70 métert tud megtenni abban, mielőtt intenzitása felére csökkenne, szemben egy átlagos úszómedence vizével, amelyben ez néhány méter alatt következik be. A vizet több mint 11 ezer fénydetektor veszi körbe, amelyek rögzítik az tartályban történő leggyengébb felvillanásokat is.
Super-Kamiokande
Bár a neutrínók túlnyomó többsége háborítatlanul átsuhan a folyadéktömegen, nagyon ritkán egy-egy részecske beleütközik egy atommagba vagy elektronba. Ezen eseményekben aztán többféle töltött részecske keletkezhet: ha müonneutrínó ütközött, müonok, ha elektronneutrínó, akkor elektronok bocsátódhatnak ki. Ezen töltött részecskék körül halvány, kékes derengés figyelhető meg, az úgynevezett Cserenkov-sugárzás, amely akkor jelentkezik, ha egy részecske az adott közegben gyorsabban halad, mint a fény. (Ez nem mond ellent Einstein általános relativitáselméletének, hiszen a fény sebessége vízben csak háromnegyede a meghaladhatatlannak hitt vákuumban mért sebességnek, így egyes részecskék ebben a közegben gyorsabbá válhatnak a fotonoknál.) A Cserenkov-sugárzás nagyon fontos szerepet kap a neutrínók azonosításában, hiszen a fényjelenség alakja és intenzitása nyomán elkülöníthető, hogy milyen típusú és eredetű neutrínó ütközése során jött létre a kékes sugárzás. A Super-Kamiokande működésének első két éve alatt nagyjából 5000 neutrínójelet detektált, ami sokkal több volt, mint amire bármilyen korábbi kísérlet képesnek bizonyult, de kevesebb, mint amennyit a kutatók vártak. A szakértők jóval több olyan részecskére számítottak, amely a kozmikus sugárzás részecskéi és a földi légkör anyagának találkozásakor keletkezik. Az történt ugyanis, hogy a detektor ugyan mind felülről, mind a Föld belsejének irányából észlelt müonneutrínókat (amelyek szintén az űr irányából érkeztek, de áthaladtak a bolygón, mielőtt elérték volna az érzékelőket), de a várttal ellentétben a felülről érkezők részecskékből jóval több volt. A szakértők eredetileg arra számítottak, hogy mivel a részecskék számára a bolygó nem kevésbé könnyen átjárható, mint a légkör, nagyjából ugyanannyi neutrínót fognak észlelni minden irányból.
A legjobb magyarázatnak az kínálkozott erre a problémára, hogy a megtett út különbségében rejtőzhet a megoldás kulcsa, vagyis az alulról érkező neutrínóknak több idejük van arra, hogy átalakuljanak, mint a csak a légkörön áthaladó, rövidebb utat megtevő részecskéknek. Mivel az elektronneutrínók a várakozásoknak megfelelően viselkedtek, a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a Földön áthaladó müonneutrínók egy része tauneutrínóvá alakul át, ezt a változást azonban nem volt lehetőség igazolni ezzel a detektorral. Ezen a ponton lépett be a képbe a Sudbury Neutrínó Obszervatórium, ahol a Napból érkező neutrínókat igyekeztek észlelni a szakértők. A két kilométeres mélységben található létesítményben ezer tonna nehézvízben 9500 fény fénydetektorral kezdték figyelni a felvillanásokat. A nehézvíz abban különbözik a víztől, hogy a molekulát alkotó hidrogének mindegyike egy extra neutronnal rendelkezik. Ennek érdekes következményei vannak a neutrínókkal kapcsolatban is, ugyanis nehézvízben az elektronneutrínók észlelésén túl arra is lehetőség nyílik, hogy a három neutrínótípust együttesen észleljék az egyes fajták elkülönítése nélkül. Mivel a Napból elviekben csak elektronneutrínók érkeznek, amennyiben nincs neutrínóoszcilláció, a két mérésnek azonos mennyiségű észlelést kellett volna produkálnia, ez azonban, ahogy a korábbi kísérletek esetén, a kanadai detektorban sem így alakult. Az elektronneutrínók száma jelentősen elmaradt az összneutrínó-számtól, amiből a kutatók arra következtettek, hogy a részecskék egy része keletkezési és becsapódási helyük között átalakuláson megy át.
A Föld minden négyzetcentiméterét másodpercenként 60 milliárd Napból származó neutron éri el. Ezek közül a Sudbury Neutrínó Obszervatórium detektora naponta átlagosan három elektronneutrínót érzékelt működésének első két évében. Ez pontosan harmada az elméleti számítások alapján várt számnak. Az összes neutrínótípust érzékelő ütközési eredmények viszont összhangban álltak az elméleti számokkal, vagyis az adatok alátámasztották, hogy a hiányzó elektronneutrínóknak nem veszett nyomuk a Nap és a Föld közötti úton, hanem azok a másik két típus valamelyikévé alakultak át. A két kísérlet együttes eredményei tehát igazolták a neutrínóoszcilláció létezését, ami viszont azt a felismerést is maga után vonta, hogy a sokáig tömegtelennek hitt részecskéknek tömeggel kell rendelkezniük, hiszen különben nem tudnának egymásba alakulni. Hogy hogyan is zajlik ténylegesen ez az átalakulás, azzal kapcsolatban egyelőre csak találgatnak a szakértők. A mért adatokból a neutrínók típusainak abszolút tömegét sem lehet megállapítani, csak ezek egymáshoz képesti különbségét. A kísérletek alapján annyi azonban elmondható, hogy a neutrínók tömege rendkívül kicsi, és a típusok közti tömegeltérések is nagyon aprók. Mivel azonban rendkívül sok van ezekből a részecskékből az univerzumban, össztömegük a becslések szerint durván annyi lehet, mint az összes látható csillag együttes tömege.
Sudbury Neutrínó Obszervatórium
A neutrínóoszcilláció felfedezése rendkívül jelentős lépést jelent egy újfajta fizika felé, hiszen ellentmond a több mint két évtizeden keresztül megdönthetetlennek bizonyult standard modellnek, amely szerint a neutrínóknak nincs tömegük. Az említett kísérletek tehát az első biztos jelei annak, hogy a standard modell nem tökéletes, és még akkor sem írná le maradéktalan pontossággal az univerzum működését, ha a gravitációt valahogyan sikerülne belefoglalni. Mielőtt azonban egy új átfogó elmélet kerülhetne kidolgozásra a világegyetemben működő kölcsönhatások leírására, mindenképpen többet kell megtudni a standard modellnek ellentmondó, tömeggel rendelkező neutrínókról. Kérdés például, hogy pontosan milyen tömegűek ezek a részecskék, miért ennyire könnyűek, és hogy valóban csak három típusuk létezik-e. További érdekes probléma, hogy a neutrínók saját antirészecskéjüknek tekinthetők-e, illetve hogy miért különböznek ennyire a többi szubatomi részecskétől. Az idei fizikai Nobel-díj tehát két olyan kutatóhoz kerül, akik rendkívül fontos szerepet játszottak abban, hogy bepillantást nyerjünk a neutrínók szinte teljesen rejtett világára. Jelenleg is számos olyan kísérlet zajlik a bolygón, amely további információkat igyekszik kideríteni ezekkel a rejtélyes részecskékkel kapcsolatban, amelyek egy napon teljesen átrajzolhatják az univerzum szerkezetével kapcsolatos elképzeléseinket.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

6. VAjZY
2015.10.08. 17:48
Újabb csodás példa, mitől szép a tudomány! Nagyképű önzőség helyett mindig kész arra, hogy felülvizsgálja és javítsa a hibáit, finomítsa elméleteit.
Remek cikk, sok ilyet még, mostanában úgyis megcsappantak a fizika cikkek!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. gombabacsi VAjZY
2015.10.08. 19:33
általában nem a tudósok a nagyképű önzők, hanem a "híveik"
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. Renhoek gomba...
2015.10.08. 20:04
Még az a szerencse, hogy a tudomány nem hit kérdése Abban nem kell hinni ahhoz, hogy igaz legyen. A tudósoknak ebből kifolyólag híveik sincsenek.

Jó cikk amúgy, bár nem a szakterületem, de imádom a fizikás cikkeket. Lehetséges egyszer valahogy be lehet majd fogni a neutrínókat kommunikációs célokra, bár ahhoz már valami nagyon scifi erőtér kéne
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. dzsuz87 Renho...
2015.10.09. 14:32
Meg egy reaktor, mint neutrínóforrás...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. zeroalbedo
2015.10.12. 13:33
Gratulálok a cikkírónak a remek munkájához!

Értelmes, arányos, igényes, tudománytörténetileg összeszedett, terminológiailag korrekt. A végén inspiráló gondolatokkal és néhány igazán szépen sikerült mondattal.

Csak így tovább!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. jedi
2015.10.16. 20:35
Óvatosan ezekkel a részecskékkel ! Láttátok mit műveltek a 2012 c. filmben !
.
.
.
.
.
.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!