Itterbium, a szimmetriatörő

2009.08.21. 7:32

A négy alapvető kölcsönhatás közül a gyenge kölcsönhatásnak van a legrövidebb hatóereje. Ez a kölcsönhatás felelős a kvarkok ízének megváltozásáért, a neutrínókat kibocsátó/elnyelő folyamatokért és a természet szimmetriáit sértő folyamatokért, a paritássértésért, melyet a többi három kölcsönhatásban soha nem tapasztaltak. A legutóbbi mérések szerint az itterbium egyik izotópja mutatja a valaha megfigyelt legnagyobb paritássértést az atomok világában.

Az itterbiumot 1878-ban fedezte fel a svájci de Marinac, aki a svéd Ytterby városáról nevezte el az új elemet. Később kiderült, hogy két elem keverékéről van szó, melyek rendszáma 70 és 71. Némi tudományos vita után a 70-es rendszámú elemé maradt az itterbium név, a 71-es pedig - Párizs ókori neve után - a lutécium nevet kapta. Azonkívül, hogy az itterbiumot atomórákban hasznosították, nem sok újdonsággal szolgált - mostanáig. A Dmitry Budker által vezetet kutatócsoport mérései szerint az itterbium 174-es tömegszámú izotópja (melynek magja 70 protont és 104 neutront tartalmaz) rendkívül nagy paritássértést mutat, mintegy százszor nagyobbat az eddigi rekorderben, a céziumban megfigyeltnél.
 
A természetben többféle szimmetria létezik. Az elektromos töltés felcserélésére vonatkozó szimmetria jele C, az idő megfordítására vonatkozóé T. A "paritás" a térbeli tükrözésre vonatkozó szimmetriát jelenti, jele P. A paritás érvényes, ha az atomi folyamatok ugyanúgy zajlanak le a jobb-bal megcserélése után is. Szemléletesen: nem tudunk különbséget tenni az atomi skálán lejátszódó természeti folyamat és annak tükörképe között, azaz nem lehet eldönteni, hogy melyik a tükörkép. Ez nyilvánvalónak tűnik, azonban a gyenge kölcsönhatások esetében nem így van.
 
A szabad protonok stabilak, a szabad neutronok azonban körülbelül 15 perc elteltével elbomlanak, egy elektron és egy antineutrínó kibocsátásával protonná alakulnak. Ez a folyamat béta bomlás, a gyenge kölcsönhatás teszi lehetővé.
 
1957-ben felfedezték, hogy a mágneses térbe helyezett és ezáltal mágnesesen polarizált kobalt-60 atommag béta-bomláskor nagyobb valószínűséggel bocsát ki elektront a déli, mint az északi pólusa felől. Ez volt a paritássértés első kísérleti bizonyítéka. Richard Feynman fizikus még a kísérlet előtt kijelentette, hogy ha a paritássértés létezik, akkor meg lehet különböztetni a jobbot a baltól.
 
Sokféle atom mutat paritássértést, bár azt nem könnyű kimutatni. Az eddigi legpontosabb méréseket a magjukban 55 protont és 78 neutront tartalmazó céziumatomokra végezték el optikai módszerekkel.
 
A Budger-csoport kísérlete során az itterbiumatomok nyalábját kemencében állították elő, majd mágneses és elektromos térben vezették át. Ez a mágneses tér az atomi nyalábbal, ez elektromos tér pedig az itterbium "tiltott" (nagyon valószínűtlen) elektronátmeneteit gerjesztő lézer nyalábbal volt párhuzamos. Az elektron és a mag közötti, valamint a magon belüli gyenge kölcsönhatás közreműködött a tiltott átmenetben. Az elektromos és mágneses terek szerepe a paritássértő hatás erősítése és a zavaró elektromágneses hatások kiküszöbölése volt. Az adatok elemzésekor bebizonyosodott, hogy az itterbium által mutatott paritássértés a céziuménak százszorosa, tehát a további kísérletekben itterbiumot célszerű használni a gyenge kölcsönhatás tanulmányozásához.

 

ForrA!s: Berkeley National Laboratory

Az itterbiumatomok nyalábja a bal oldalon látható kemencéből kilépve egymáshoz képest derékszögű irányultságú elektromos és mágneses téren halad át. A mágneses tér az atomnyalábbal, az elektromos tér a "tiltott" elektron-energia átmenetet gerjesztő lézernyalábbal párhuzamos. Az elektron és a mag közötti gyenge kölcsönhatások közreműködnek a tiltott átmenetben

A kísérlet segít megmagyarázni a gyenge kölcsönhatás működését az itterbium izotópjaiban. Az eredményből a neutronok magbeli eloszlására is lehet következtetni, és meg lehet vizsgálni, hogy vajon neutronokból álló "héj" veszi-e körül a mag centrumában levő protonokat, ahogy ezt több nukleáris modell valószínűsíti. Budger elmondta, hogy a neutronhéjat nagyon nehéz töltött részecskékkel, mint például szóródó elektronokkal kimutatni, mert a protonok nagy elektromos töltése uralja a kölcsönhatást. Emiatt a magbeli protonok átlagos centrumtávolsága jól ismert, de a neutronok eloszlását e mostani kísérletekkel vizsgálták először.
 
Az itterbium paritássértését kutató kísérletek az ún. "anapól momentum" értékét is kideríthetik az atommag külső neutronhéjában ("vegyértékneutronok"). Jakov Zeldovics orosz fizikus szerint a gyenge kölcsönhatás elektromos áramot indukál az atommagban, mely egy toroid tekercsben folyó áramhoz hasonlít és az "anapól momentum"-mal jellemezhető. Ezt az áramot már megfigyelték a cézium "vegyértékprotonjainál", de még nem észlelték a "vegyértékneutronoknál".

ForrA!s: Berkeley National Laboratory

Jakov Zeldovics orosz fizikus szerint a gyenge kölcsönhatás elektromos áramot indukál az atommagban, mely - mint egy tokamakban - toroid tekercsben folyó áramhoz hasonlít, és az "anapól momentum"-mal jellemezhető. Ezt az áramot már megfigyelték a cézium "vegyértékprotonjainál", de még nem észlelték a "vegyértékneutronoknál"

A kísérletek a Standard Modell finom ellenőrzését is segíthetik. Mostanáig a Standard Modell legpontosabb adatai nagyenergiájú ütközésekből származtak, a gyenge kölcsönhatás hordozóit, azaz a W és Z bozonokat protonok és antiprotonok ütköztetésével fedezték fel a CERN-ben. Ezzel szemben az atomi paritás vizsgálatakor kis energiaváltozások történek az atomban. Ez a kutatási módszer kiegészíti a nagyenergiájú folyamatok tanulmányozását.

Posztobányi Kálmán