Megoldódott a nap-neutrínók rejtélye

Újabb megerősítést nyert a 2001-es év egyik legnagyobb részecskefizikai eredménye, a Napból érkező neutrínók mérhető hiányának magyarázata.

A neutrínók a legkülönösebb elemi részecskék, amelyek szinte soha nem lépnek kölcsönhatásba más anyagokkal. Töltésük nincs, s számukra a több, mint 12 000 km-es átmérőjű Föld átlátszóbb, mint az emberi szemnek a legtisztább üveglap. Sokáig még az is kérdéses volt, rendelkeznek-e nyugalmi tömeggel, de napjainkra egyre több jel utal arra, hogy igen.

A neutrínókkal kapcsolatos furcsaságok egyike a Napban zajló magfúziós folyamatok során keletkező elektron-neutrínók több, mint 30 éve megoldatlan problémája. A számítások szerint ugyanis sokkal többet kellene érzékelni belőlük itt a Földön, mint amennyi valójában megérkezik csillagunk felől. Ennek elfogadott magyarázata, hogy a közel fénysebességgel haladó elemi részecskék egy neutrínó-oszcillációnak nevezett folyamat eredményeként átalakulnak a mintegy 8 és fél perces út során a két másik neutrínó-formába, müon- és tau-neutrínókká. Az oszcilláció azonban csak akkor lehetséges, ha a neutrínóknak van nyugalmi tömege, bizonyítása tehát döntő lehet a neutrínó-tömeg kiszámításában is.

A kanadai Sudbury Neutrino Observatoryban (SNO) alkalmazott új kutatási mód igazolni látszik az elméleti úton született magyarázatot. Az elektron-neutrínókat termelő folyamat jól ismert, ezért könnyen kiszámítható, hogy mennyi ilyen részecske érkezik a Napból a Földhöz, ám műszereink csak az előrejelzett mennyiség mintegy harmadát jelzik. Az új eljárással viszont kiderült, hogy az érzékelt elektron-neutrínók csak egy részét képezik a Nap teljes neutrínó-áramának, amely megfigyelés bizonyítja a feltételezett átalakulást.

A neutrínók kutatásához - semleges és reakciókerülő jellegük miatt - sajátos berendezésekre van szükség. Ezek belsejét óriási víztest alkotja, amelyet több kilométer mélységben, rendszerint elhagyott bányákban helyeznek el, elszigetelve a felszíni zavaró hatásoktól. Az SNO az egyik leghíresebb ilyen komplexum: 12 méter átmérőjű, kör alakú akril-műanyag tartályában 1000 tonna különlegesen tiszta nehézvíz található, amely egy még nagyobb, tiszta de normál vízzel kitöltött üregben helyezkedik el. A nehézvíz-testet 9600 fényérzékelő veszi körül gömbszimmetrikusan, apró felvillanásokra lesve. Ezek a nagy energiájú neutrínók és a nehézvíz hidrogénatomjainak magjában lévő neutronok összeütközésekor keletkeznek, miközben a neutron protonná alakul át, s egy Cserenkov-sugárzást keltő elektront bocsát ki. A mérhető felvillanások igen ritkák, átlagosan egy ilyen esemény történik óránként, ezért igen hosszú észlelési időre van szükség biztos eredmények eléréséhez.

A nehézvíz-töltet különlegessége, hogy az elektron-neutrínók detektálása mellett lehetővé teszi a három neutrínó-típus teljes mennyiségének meghatározását is. Így szemben a tavalyi eredményekkel, amelyek az SNO illetve egy Japánban lévő hasonló műszer, a Super-Kamiokande adatainak összevetéséből adódó jelentős bizonytalansági tényezőt hordoztak magukban, most egy berendezéssel sikerült bizonyítani a Napból érkező neutrínók egymásba történő átalakulását.

Ennek pedig óriási jelentősége lehet a részecskefizika, az asztrofizika és a kozmológia szempontjából egyaránt. A "Standard Modell"-nek nevezett, napjainkban elfogadott s minden kísérleti eredménnyel összhangban lévő részecskefizikai elmélet ugyanis nem képes tömeggel rendelkező - és emiatt oszcilláló - neutrínók leírására. Így ez az eredmény lehet az első, amely azt sugallja a fizikusoknak, hogy át kell alakítaniuk az évtizedek óta használt elméletet. A neutrínók tömegének igazolása emellett a Világegyetem keletkezéséről és jövőjéről alkotott forgatókönyvünket is átrajzolhatja, mivel annak kulcsfontosságú eleme az Univerzum teljes tömege, amely jelentős mértékben túllépheti az eddig becsléseket, amennyiben az óriási számban jelen lévő neutrínók nyugalmi tömeggel rendelkeznek.

Egri Győző (ELTE TTK)

Ajánlat:

A nap-neutrínók vizsgálatának eredményei 2001-ből

A Sudbury Neutrino Observatory oldala

A Super-Kamiokande berendezés

Korábban az [origo]-ban:

A neutrínók ízváltozásai
1999.07.23. A japán Super-Kamiokande detektorral most első ízben sikerült a tőle 250 kilométerre levő, Cukuba melletti részecskegyorsítóban (KEK-ben) előállított, a detektor felé küldött neutrínókat észlelni.

ANTARES: neutrínótávcső a tengerfenéken
1999.10.10. A több európai állam példás összefogásával épülő detektor most első ízben teremt versenyképes lehetőséget európai kutatóknak a neutrínó-csillagászatba való bekapcsolódásra.