iPon Cikkek

A neutrínók különös története

Dátum | 2012. 03. 11.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A tavalyi év második felének egyik legnagyobb tudományos szenzációja volt, amikor az OPERA nevű kísérlet olasz kutatói bejelentették, hogy fénynél nagyobb sebességet mértek a beérkező neutrínók egy részénél. A hírek sem terjedtek ennél sokkal lassabban, mindenki felkapta a fejét, mert egy dologra még a fizikához mit sem értők is emlékeznek: hogy tudniillik volt valaha egy Albert Einstien nevű híres fizikus, aki azt mondta, hogy semmi sem mehet gyorsabban a fénynél.

Idén februárban kiderült, hogy az OPERA-kísérlet berendezéseivel apróbb problémák vannak, amelyek megkérdőjelezik a fénynél gyorsabb neutrínókkal kapcsolatos méréseket. Az események rávilágítottak arra, hogy milyen nehézségekkel néz szembe az ismeretlen határait feszegető tudomány. A neutrínók pedig különösen nehéz diónak bizonyulnak.

Az OPERA-kísérlet
A történelem során többször előfordult már, hogy neutrínók vizsgálatát célzó kísérletek során meglepő eredmények születtek. Ezen kutatások többsége ugyan közel sem kapott akkora nyilvánosságot, mint a tavaly őszi, Einstein relativitáselméletének állításait megkérdőjelező eredmények, de ezek is kihívást jelentettek az eredményt megérteni próbáló kutatók számára, és hozzájárultak a természetről alkotott ismereteik bővítéséhez.

A következőkben a múlt legfurcsább kísérleti eredményeit tekintjük át, melyek láttán a kutatók sokszor még ma is a fejüket vakarják. A rejtélyek ezen „galériáját” Adam Mann, a Wired szerzője állította össze.

Először is tisztázzuk, hogy mi is az a neutrínó. Három dolog biztosan állítható róla: kicsi, nehezen megfigyelhető és nagyon gyakori. A világegyetem minden egyes protonjára vagy elektronjára milliárdnyi neutrínót számolhatunk. Ezek a mindenütt jelenlevő részecskék milliszekundumokkal az ősrobbanás után jöttek létre, valamint új neutrínók születhetnek még elemek radioaktív bomlásakor, csillagokban lezajló nukleáris reakciók során és szupernóvák robbanásakor.

A Szuper-Kamiokande kísérlet kutatói egy csónakban ülnek a detektor belsejében. Ez utóbbi egy 50 ezer tonna vízzel megtöltött tartályból áll, amelynek falába 11 ezer fotoelektron-sokszorozót építettek.
„A világegyetem legelterjedtebb részecskéi, mégis rendkívül keveset tudunk róluk” ‒ mondja Bill Louis, a Los Alamos Nemzeti Laboratórium fizikusa, és a MiniBooNE-neutrínókísérlet egyik szóvivője.

A neutrínókat rettentően nehéz tanulmányozni, mivel alig mutatnak kölcsönhatást más anyagokkal. Nincs elektromágneses töltésük, úgy hatolnak át az ólomfalakon, mint kés a vajon, és olyan könnyűek, hogy nagyon sokáig azt hitték a kutatók, hogy nincs is tömegük. Detektálásukhoz nagy mennyiségű anyagot (többnyire egy nagy tartály vizet) kell hosszú ideig figyelni, és kivárni az alkalmat, amikor egy neutrínó eltalál egy másik részecskét, és valamilyen megfigyelhető változást okoz. 

Az aprócska részecskék a béta-bomlás kapcsán kerültek a tudományos érdeklődési középpontjába. A 19. század végén felfedezett radioaktív bomlási folyamat során az atom elektront bocsát ki magából és így másfajta atommá alakul. Az 1910-es években a kutatók furcsa dologra lettek figyelmesek a béta-bomlás során. Rájöttek arra, hogy amennyiben ennek során valóban csak egyetlen elektron hagyja el az atomot, akkor sem az energiamegmaradás, sem az impulzusmegmaradás törvénye nem teljesül a folyamatra. Senki sem értette, hogyan lehetséges ez, de minden egyes kísérlettel világosabbá vált, hogy valami nagyon nem stimmel.

1930-ban Wolfgang Pauli fizikus felvetette, hogy a nukleáris folyamatok talán bonyolultabbak az eddig elképzeltnél. Ha az atom a béta-bomlás során valami mást is kibocsátana az elektronon kívül, akkor a fizika törvényeivel szembeni látszólagos ellentmondás feloldható lenne. Mint utólag kiderült, ez a „valami más” volt a neutrínó,. A kutatók úgy gondolták, hogy ahhoz, hogy a neutrínók létezése elképzelhető legyen, ezen részecskéknek nagyon aprónak és kevéssé reakcióképesnek kell lenniük, hiszen ha ezek a feltételek nem teljesülnének, akkor már minden bizonnyal valaki észlelte volna a részecskéket. De ha mindez igaz, akkor egyáltalán hogyan lehetséges egy ilyen részecskét detektálni? A tudósok ezt hosszú ideig megoldhatatlan feladatnak gondolták.

Clyde Cowan és Frederick Reines távirata Wolfgang Paulinak a neutrínó felfedezéséről
1956-ra nagyot fejlődött a technika. A neutrínók létezésének első feltételezése óta eltelt 25 évben az Egyesült Államok számos atomreaktort épített. A kutatók rájöttek, hogy ezen építmények alkalmasak lehetnek a neutrínók észlelésének megkísérlésére, hiszen ha a feltételezések helyesek, akkor a reaktorok négyzetcentiméterenként 50 trillió neutrínót bocsátanak ki minden egyes másodpercben. És bár a részecskék szinte soha sem kerülnek kölcsönhatásba semmivel, egy aprócska esély lehet arra, hogy ha elég anyagot helyeznek el a neutrínók útjában, akkor valaminek csak nekiütközik egyik-másik. Ha ez megtörténik, akkor a béta-bomlás fordítottja következik be, és az ütközés következtében gamma-sugárzás keletkezik, ami pedig mérhető.

1956-ban Clyde Cowan és Frederick Reines fizikusok meg is építettek egy detektort a dél-karolinai Savannah River atomerőmű közelében. Kísérletük sikerrel járt, egyértelmű bizonyítékot találtak a neutrínók létezésére. Cowen ugyan 1974-ben elhunyt, de Reines 1995-ben fizikai Nobel-díjat kapott a részecske felfedezéséért.

A kisujjunk körmét másodpercenként 65 milliárd neutrínó járja át, és ezek csaknem mindegyike egy csillag gyomrában keletkezett. A csillagászokat ezért különösen érdeklik ezek az érdekfeszítő részecskék, mivel fontos információkkal szolgálhatnak a csillagok belső működéséről. 1964-ben John Bacall a dél-dakotai Homestake bánya területén állította fel kísérleti detektorát ezen mindenütt megtalálható neutrínók észlelésére. A detektort mélyen a föld alatt helyezte el, hogy a kozmikus sugárzás ne zavarja az eredményeket.

2001-ben a kanadai Sudbury Neutrino Observatory detektora mindhárom típusú Napból érkező neutrínó mennyiségét megmérte, választ adva egy csaknem negyven éves rejtélyre.
A Homestake-kísérlet sikeresen működésnek indult tehát, majd az első eredmények beérkezése után a kutatók valami érthetetlennel kerültek szembe: számításaik szerint ugyanis a Napnak háromszor annyi neutrínót kellene termelnie, mint amennyit a valóságban mértek. Visszaültek a rajzasztalhoz hibákat keresve és újraszámolva mindent, de továbbra sem derült ki a probléma oka. A kísérlet több mint harminc éves működése során makacsul ugyanazt az eredményt produkálta, vagyis a várt neutrínó mennyiségének mindössze harmadát mérte. A csillagászok már attól féltek, hogy a Napról készült modellekben van valami óriási hiba.

A kilencvenes évek közepén a kutatók felfedezték, hogy a neutrínóknak három különböző fajtája van: a béta-bomlás és a csillag belsejében folyó reakciók elektron-neutrínókat eredményeznek, más folyamatok során viszont müon- és tau-neutrínók keletkeznek. A Napot elhagyva az eletron-neutrínók egy része (körülbelül kétharmada) a másik két fajta valamelyikévé alakul át, a Homestake-kísérlet detektora viszont csak az elektron-neutrínókat érzékelte. Amikor olyan műszerrel is elvégezték a mérést, amely mindhárom típust képes detektálni, rögtön meglett a „hiányzó” részecskemennyiség. A felfedezés másik következménye az volt, hogy bizonyossá vált: a neutrínó rendelkezik tömeggel, különben nem lenne képes a különböző típusú állapotok között váltani, vagyis oszcillálni. 

Az 1980-as években a kutatóknak kisebb gondjuk is nagyobb volt annál, hogy a neutrínókkal foglalkozzanak. Néhány elméleti fizikus felvetette ugyanis, hogy lehetséges, hogy az önmagában stabil proton könnyebb szubatomi részecskékké bomlik tovább. Ennek bizonyításával valóra vált volna a kutatók régóta dédelgetett álma: a nagy egyesített elmélet, amely egyaránt képes leírni az elektromágneses, erős és gyenge kölcsönhatásokat.

A protonok rendszeres bomlása viszont összeegyeztethetetlen lenne a földi élettel: testünk atomjai nem kezdhetnek spontán más elemekké átalakulni, senki sem akar szén helyett bór atomokat a DNS-ébe. A teoretikusok erre azt mondták, hogy a protonok bomlanak ugyan, de élettartamuk minimum húsz nagyságrenddel meghaladja az univerzum korát. Ennek kísérleti vizsgálatára hatalmas mennyiségű protont kezdtek megfigyelni.

Egy feltételezhetően 10ˆ32 évnél hosszabb felezési idejű dolog bomlását megfigyelni új jelentést adott a tű a szénakazalban kifejezésnek. A hosszú élettartam miatt rengeteg mennyiségű anyagot (vizet) követtek figyelemmel, hogy az ebben megbúvó egyetlen bomló protont esetleg észlelni tudják. Mindezt persze mélyen a föld alatt kellett véghezvinni, nehogy a kozmikus sugarak téves eredményeket produkáljanak.

Búvár úszik az ohiói Irvine-Michigan-Brookhaven detektor vizében. A kísérletet a protonbomlás megfigyelésére építették, de helyette végül a légköri neutrínók oszcillációjának észlelésében segített.
Rövidesen rájöttek azonban a kutatók, hogy a kozmikus sugárzás egyes elemei elől a Föld mélyén sincs menekvés. A sugarak nyomán a légkörben neutrínók keletkeznek, amelyek a detektoron áthaladva bomló protonnak tűnhetnek, így a tudósoknak tudniuk kellett, hogy milyen mennyiségű ilyen neutrínót fognak várhatóan látni. Ennek megállapítása során ismét egy furcsaságba botlottak: a kísérleti berendezésbe fölül kétszer annyi neutrínó érkezett, mint a Föld mélye irányából.

Tíz éves találgatás és elméletgyártás után oldódott meg a rejtély: bolygónk testén áthaladva a neutrínók egy részének volt ideje más típusú neutrínóvá alakulni, és a kísérleti berendezés csak az egyik típust volt képes detektálni, így a beérkező részecskék felét nem érzékelte. A felfedezés eredményeként kiderült azonban, hogy a neutrínók a megtett távolság hosszától függő mennyiségben alakulnak egymásba. Protonbomlást a mai napig senkinek sem sikerült megfigyelnie.

1993-ban Los Alamosban megépült a Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) kísérlet annak kiderítésére, hogy a különféle neutrínótípusok képesek-e egymásba oszcillálni ‒ a Homestake és a protonbomlást vizsgáló kísérletek eredményei ekkor még nem voltak bizonyító erejűek. A kísérlet attól vált híressé, hogy a kutatók látszólag a semmiből előbukkanó elektron-antineutrínókat észleltek.

LSND
Az ismert szubatomi részecskék hármas csoportokat alkotnak. Az elektron például a müon és a tau nevű részecskékkel alkot egy kategóriát: ezek az elektronhoz nagyon hasonlóan viselkednek, de nehezebbek annál. Az LSND-kísérlet közben észlelt jelenség viszont három neutrínófajta helyett négy vagy több létezésére utalt.

Egy negyedik fajta neutrínó létezése komolyan megrengetné a részecskefizika jelenlegi modelljének alapjait, ugyanakkor választ adna néhány megoldatlan problémára, például a szupernóva-robbanás egyes részleteire. Az újabb fajta neutrínónak nagyon különleges tulajdonságokkal kellene rendelkeznie, különben már valószínűleg észlelték volna. Négy alapvető kölcsönhatás írja le világunk működését: az erős, a gyenge, az elektromágneses és a gravitációs. A protonra mindegyik hat, az elektronra az erős kölcsönhatást kivéve mindegyik, a neutrínókra csak a gyenge és a gravitációs kölcsönhatás hat. A feltételezett negyedik fajta neutrínóra lehetséges, hogy csak a gravitációs kölcsönhatás van hatással. 

2002-ben kezdett el működni a MiniBooNE nevű kísérlet a Fermi Részecskegyorsító Laboratóriumban. Elsődleges célja az LSND eredményeinek megerősítése vagy cáfolata volt. A kezdeti adatok inkább a cáfolat felé hajlottak, de aztán némiképp változott a kép. Jelenleg úgy tűnik, hogy a kísérlet eredményei összecsengenek az LSND-ben mért adatokkal. Ha valóban bizonyítást nyer a negyedik fajta neutrínó létezése, akkor az teljesen új leosztást jelenthet a neutrínók fizikájában és számos más tudományterületen is, például a kozmológiában és az asztrofizikában.

És ahogy azt már lassan megszokhatjuk a MiniBooNE talán lassan megold egy nagy rejtélyt, cserébe viszont talált egy másikat. A mérések során a vártnál több alacsony energiájú neutrínót észleltek. Többen úgy gondolták, hogy ez egyszerű háttérzaj, de a megismételt mérések megerősítették, hogy valóban többletről van szó. Magyarázat egyelőre nincs, csak a kérdések száma növekszik.

MiniBooNE
2011 januárjában újra kiszámolták, hogy mennyi neutrínónak kellene távoznia az atomreaktorokból, és kiderült, hogy a húsz évvel korábban becsült eredmények valószínűleg helytelenek. Valami megint nem stimmel a számokkal, így jelenleg újabb detektorok tervezése folyik a kísérletek újbóli lefuttatására. Az LSND és a MiniBooNE eredményei, valamint a reaktoranomáliák egy dologra biztosan rávilágítottak: a neutrínókat övező rejtélyek megoldása pár évtizedig még biztosan munkát ad a fizikusoknak.

A fénynél gyorsabb eredményeket valószínűleg egy hiba eredményezte, de számos kísérlet során tapasztaltak olyan anomáliákat, amelyeket nem lehet ilyen egyszerűen elvetni. A további vizsgálatok elvégzéséhez először is nagy mennyiségű neutrínóra van szükség. Ennek érdekében tervezik a kutatók végrehajtani a Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE) nevű kísérletet. A Fermi Laboratóriumból a világ legerősebb neutrínósugarát 1300 kilométernyi szilárd földön lőnék át a Homestake bánya irányába. Itt a kutatók detektálnák a beérkező részecskéket, megfigyelve oszcillációjukat és egyéb érdekes jelenségeket. A kísérletet a következő 15 évben tervezik megkezdeni.


Az LBNE révén remélnek választ a kutatók arra a kérdésre is, hogy miért áll a világegyetem döntő részben anyagból és nem antianyagból. A legtöbb modell szerint az univerzum keletkezésekor egyenlő arányban tartalmazott anyagot és antianyagot, amelyek töltésüktől eltekintve mindenben egyformák. A gond azzal van, hogy ha találkozik a kettő, akkor energia felszabadulása mellett megsemmisülnek. Ha a részecskék és antirészecskék száma megegyezett az ősrobbanást követően, akkor elviekben előbb vagy utóbb a világegyetem minden részecskéje megtalálja ellentettjét és megsemmisül egy energiafelhőben.

Az anyag mennyisége ehhez képest mégis állandónak tűnik. Vannak arra utaló jelek, hogy miért az anyag van jelen dominánsabban, de világegyetembeli hatalmas mennyiségére továbbra sincs igazi magyarázat. Erre remélnek megoldást a neutrínók vizsgálata révén: ha sikerülne kimutatni, hogy akár minimális mértékben is, de több neutrínó keletkezik, mint antineutrínó, akkor ismét értelmet nyerne a világegyetemről alkotott képünk. Ha ez nem jön össze, akkor viszont ismét irány a tervezőasztal.


Forrás:

www.wired.com/wiredscience/2012/03/strange-neutrinos-experiments
 

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

8. langward
2012.03.11. 09:31
2. kép benne van az Eagle Eye című filmben (Sasszem).
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
7. CyberPunk6...
2012.03.11. 18:28
jók ezek a cikkek, ilyenből jöhet sok sok sok...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
6. Atesz1987
2012.03.11. 20:32
Mi az az erős, és gyenge kölcsönhatás?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. kiskoller Atesz...
2012.03.11. 21:51
A 4 ismert fizikai törvényből 2. A másik kettő az elektromágneses kölcsönhatás (ebben benne van a fény és a rádióhullámok is) illetve a gravitáció. Az erős és gyenge kölcsönhatások atomi szinten érvényesek, ezek felenek azért hogy az atomok protonjai illetve neutronjai ne hulljanak szét részecskékre (pozitron-neutríno párokra pl) illetve hogy az atomok összeragadjanak más atomokkal.
Mindkettőre jellemző, hogy csak kis távolságokon érvényesülnek, de rohadt erősek (a gravitációhoz képest mondjuk eszeveszett erősek)

Persze lehet hogy rosszul tudom.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. peti198706...
2012.03.11. 23:04
Mi volt az élet előtt? Mese.
Mi lesz az élet után? Azt még írjuk..
De tedd össze kezed lábad, mikor felkelsz az ágyban,
mert ittvagy egy létnek nevezet síkon. S tedd azt mindnél jobban
teljessé.
Ők meg a búrájukat vakargatják, mint én álmomban..
De tény az lesz, ha leis rajzolom, azt amit megálmodtam. Hogy az végeláthatatlan emlék megmaradjon.(chelly - departures~あなたにおくる愛の歌~)
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. Lordhell
2012.03.14. 06:48
Nekem tetszenek ezek a cikkek, csak így tovább!!!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. agyturbini...
2012.03.17. 07:11
Emlekeim szerint 3 fajta sugarzas keletkezik radioaktiv bomlas szerint: Alfa, Beta, Gamma.
Ezek szerint van egy 4. is amit mar regen kideritettek. Megint egy kicsit kozelebb a a tanulmanyok befejezesehez
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. sta64
2012.03.18. 23:33
A béta-bomlás során protonból neutron vagy neutronból proton keletkezik, és közben a melléktermék egyik esetben egy elektron és egy anti-(elektron)neutrínó, a másikban egy pozitron (anti-elektron) és egy (elektron)neutrínó. Vagy úgy is tekinthető, hogy a bomláshoz egyik esetben szükséges még egy pozitron és egy neutrínó is, a másikban még egy elektron és egy anti-neutrínó is, mert az átalakulás mindkét irányban működik:

1. p <-> n + e- + -ν(e)
2. n <-> p + e+ + ν(e)

(A kettő egymáshoz képest pont olyan, mint amikor egy egyenletet -1-gyel megszorzol, és továbbra is igaz marad.) Konkrétan ez a gyenge kölcsönhatás normális, atomos anyagot érintő alakja.

Az alfa-bomlás során egy nagy, instabil atommagból (radioaktív hasadóanyag) kiszakad egy héliumatommag (2 proton + 2 neutron), mert az erős kölcsönhatás (protonok és neutronok összekapaszkodnak, mint a bogáncsok) túl kicsi hatótávolságon működik ahhoz, hogy egy nagy atommagban ellensúlyozni tudja a protonok közötti elektromágneses taszítást.

A gamma-bomlás során pedig a felszabaduló energiából egy nagy energiájú foton (gamma-foton) jön létre.

Szóval ez a neutrínós kísérlet nem a negyedik fajta sugárzást találta meg, mert az a béta-bomlás része. Azért építenek ilyen borzalmas méretű detektorokat, mert a neutrínók csak a gyenge kölcsönhatásban és a gravitációban vesznek részt, de azokban is nagyon kevéssé.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!