A neutrínó egy elemi részecske, amely nagyon hasonlít az elektronhoz, de nincs elektromos töltése. Nagyon kicsi a tömege, ami akár nulla is lehet. A neutrínó sebessége a tömegtől is függ. A részecske és a fény érkezési idejének különbsége 0,0006% (± 0,0012%). 2011-ben az OPERA kísérlet során kiderült, hogy a neutrínók sebessége meghaladja a fénysebességet, de független tapasztalatok ezt nem erősítették meg.
A megfoghatatlan részecske
Ez az egyik leggyakoribb részecske az univerzumban. Mivel nagyon kevés kölcsönhatásba lép az anyaggal, hihetetlenül nehéz észlelni. Az elektronok és a neutrínók nem vesznek részt erős nukleáris kölcsönhatásokban, de ugyanúgy részt vesznek a gyengékben. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező részecskéket leptonoknak nevezzük. Az elektronon (és antirészecskéjén, a pozitronon) kívül a töltött leptonok közé tartozik a müon (200 elektrontömeg), a tau (3500 elektrontömeg) és ezek antirészecskéi. Ezeket így nevezik: elektron-, müon- és tau-neutrínók. Mindegyikben van egy anyagellenes komponens, az úgynevezett antineutrínó.
A müont és a tau-t, mint egy elektront, részecskék kísérik. Ezek a müon és tau neutrínók. A három részecsketípus különbözik egymástól. Például amikor a müonneutrínók kölcsönhatásba lépnek egy célponttal, mindig müonokat termelnek, soha nem tau-t vagy elektronokat. A részecskék kölcsönhatásában bár elektronok és elektronneutrínók létrejöhetnek és elpusztulhatnak, ezek összege változatlan marad. Ez a tény a leptonok három típusra osztásához vezet, amelyek mindegyikében van egy töltött lepton és egy kísérő neutrínó.
Nagyon nagy és rendkívül érzékeny detektorokra van szükség a részecske észleléséhez. Az alacsony energiájú neutrínók általában sok fényévet tesznek meg, mielőtt kölcsönhatásba lépnek az anyaggal. Következésképpen minden velük végzett földi kísérlet a kis hányaduk mérésén alapul, ésszerű méretű rögzítőkkel kölcsönhatásba lépve. Például a Sudbury Neutrino Obszervatóriumban, amely 1000 tonna nehézvizet tartalmaz, másodpercenként körülbelül 1012 napneutrínó halad át a detektoron. És csak napi 30 található.
Felfedezési előzmények
Wolfgang Pauli először 1930-ban tételezte fel egy részecske létezését. Akkoriban egy probléma merült fel, mert úgy tűnt, hogy az energia és a szögimpulzus nem marad meg a béta-bomlás során. Pauli azonban megjegyezte, hogy ha nem kölcsönhatásba lépő semleges neutrínó részecske kerül kibocsátásra, akkor az energiamegmaradás törvényét betartják. Enrico Fermi olasz fizikus 1934-ben kidolgozta a béta-bomlás elméletét, és a részecskének a nevét adta.
Minden előrejelzés ellenére 20 évig nem lehetett kísérleti úton kimutatni a neutrínókat az anyaggal való gyenge kölcsönhatásuk miatt. Mivel a részecskék nem elektromosantöltöttek, nem hatnak rájuk elektromágneses erők, ezért nem okozzák az anyag ionizációját. Ezenkívül csak elhanyagolható erősségű gyenge kölcsönhatások révén lépnek reakcióba az anyaggal. Ezért ezek a legáthatóbb szubatomi részecskék, amelyek hatalmas számú atomon képesek áthaladni anélkül, hogy bármilyen reakciót okoznának. Ezeknek a részecskéknek 10 milliárdjából csak 1, amelyek a Föld átmérőjével megegyező távolságot haladnak át az anyagon, és reagálnak protonnal vagy neutronnal.
Végül 1956-ban amerikai fizikusok Frederick Reines vezette csoportja bejelentette az elektron-antineutrínó felfedezését. Kísérleteiben az atomreaktorból kibocsátott antineutrínók kölcsönhatásba léptek a protonokkal, így neutronokat és pozitronokat képeztek. Ezeknek a legújabb melléktermékeknek az egyedi (és ritka) energiajelei bizonyítékul szolgálnak a részecske létezésére.
A töltött müonleptonok felfedezése a második típusú neutrínó – müon – későbbi azonosításának kiindulópontja lett. Azonosításukat 1962-ben végezték el egy részecskegyorsítóban végzett kísérlet eredményei alapján. A nagyenergiájú müonikus neutrínók a pi-mezonok bomlásával keletkeztek, és olyan módon kerültek a detektorba, hogy az anyaggal való reakcióikat tanulmányozhassák. Noha ezek a részecskék más típusaihoz hasonlóan nem reaktívak, azt találták, hogy azon ritka esetekben, amikor protonokkal vagy neutronokkal reagálnak, a müon-neutrínók müonokat képeznek, de elektronokat soha. 1998-ban Leon Lederman, Melvin Schwartz és Jack Steinberger amerikai fizikusokfizikai Nobel-díjat kapott a müon-neutrínó azonosításáért.
Az 1970-es évek közepén a neutrínófizika egy másik típusú töltött leptonnal, a tau-val bővült. Kiderült, hogy a tau-neutrínó és a tau-antineutrínó ehhez a harmadik töltésű leptonhoz kapcsolódik. 2000-ben a National Accelerator Laboratory fizikusai. Enrico Fermi jelentette az első kísérleti bizonyítékot az ilyen típusú részecskék létezésére.
mise
Minden típusú neutrínó tömege sokkal kisebb, mint töltött társaiké. Például a kísérletek azt mutatják, hogy az elektron-neutrínó tömegének kisebbnek kell lennie, mint az elektrontömeg 0,002%-a, és a három faj tömegének összege kisebb, mint 0,48 eV. Sok éven át úgy tűnt, hogy egy részecske tömege nulla, bár nem volt meggyőző elméleti bizonyíték, hogy miért kellene ennek így lennie. Aztán 2002-ben a Sudbury Neutrino Obszervatórium szolgáltatta az első közvetlen bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy a Nap magjában zajló nukleáris reakciók által kibocsátott elektronneutrínók módosulnak, ahogy áthaladnak rajta. A neutrínók ilyen "oszcillációi" akkor lehetségesek, ha egy vagy több típusú részecske kis tömegű. A kozmikus sugarak kölcsönhatásáról a Föld légkörében végzett vizsgálataik szintén tömeg jelenlétére utalnak, de ennek pontosabb meghatározásához további kísérletekre van szükség.
Források
A neutrínók természetes forrásai a Föld beleiben lévő elemek radioaktív bomlása, amelybenkis energiájú elektronok-antineutrínók nagy folyama bocsát ki. A szupernóvák is túlnyomórészt neutrínó jelenségek, mivel csak ezek a részecskék tudnak áthatolni az összeomló csillagban keletkezett szupersűrű anyagon; az energiának csak egy kis része alakul fénnyé. A számítások szerint a Nap energiájának körülbelül 2%-a a termonukleáris fúziós reakciók során keletkező neutrínók energiája. Valószínű, hogy a világegyetem sötét anyagának nagy része az Ősrobbanás során keletkezett neutrínókból áll.
Fizikai problémák
A neutrínókkal és az asztrofizikával kapcsolatos területek változatosak és gyorsan fejlődnek. A jelenlegi kérdések, amelyek nagyszámú kísérleti és elméleti erőfeszítést vonzanak, a következők:
- Mekkora a különböző neutrínók tömege?
- Hogyan hatnak ezek az ősrobbanás kozmológiájára?
- Oszcillálnak?
- Átalakulhatnak-e az egyik típusú neutrínók másikká, miközben áthaladnak az anyagon és a téren?
- A neutrínók alapvetően különböznek az antirészecskéktől?
- Hogyan esnek össze a csillagok és keletkeznek szupernóvák?
- Mi a neutrínók szerepe a kozmológiában?
Az egyik különösen érdekes régóta fennálló probléma az úgynevezett szoláris neutrínó probléma. Ez az elnevezés arra utal, hogy az elmúlt 30 év során több földi kísérlet során következetesen kevesebb részecskét figyeltek meg, mint amennyi a nap által kibocsátott energia előállításához szükséges. Egyik lehetséges megoldása az oszcilláció, azaz az elektronika átalakításaa neutrínók müonokká vagy tau-kká alakulnak, miközben a Földre utaznak. Mivel sokkal nehezebb mérni az alacsony energiájú müonokat vagy tau-neutrínókat, ez a fajta átalakulás magyarázatot adhat arra, hogy miért nem figyeljük meg a megfelelő számú részecskét a Földön.
Negyedik Nobel-díj
A 2015-ös fizikai Nobel-díjat Takaaki Kajita és Arthur McDonald kapta a neutrínótömeg felfedezéséért. Ez volt a negyedik ilyen díj, amely ezen részecskék kísérleti mérésével kapcsolatos. Egyesek csodálkozhatnak, miért törődnünk kell annyira valamivel, ami alig van kölcsönhatásban a hétköznapi anyagokkal.
Az a tény, hogy képesek vagyunk kimutatni ezeket az efemer részecskéket, az emberi találékonyság bizonyítéka. Mivel a kvantummechanika szabályai valószínűségiek, tudjuk, hogy bár szinte minden neutrínó áthalad a Földön, néhányuk kölcsönhatásba lép vele. Egy elég nagy érzékelő ennek észleléséhez.
Az első ilyen eszközt a hatvanas években építették egy dél-dakotai bányában. A bányát 400 ezer liter tisztítófolyadékkal töltötték fel. Átlagosan naponta egy neutrínó részecske lép kölcsönhatásba egy klóratommal, és argonná alakítja azt. Hihetetlen módon Raymond Davis, aki a detektorért volt felelős, kitalált egy módszert ennek a néhány argonatomnak a kimutatására, és négy évtizeddel később, 2002-ben megkapta a Nobel-díjat ezért a csodálatos technikai bravúrért.
Új csillagászat
Mivel a neutrínók olyan gyengén kölcsönhatásba lépnek, nagy távolságokat is megtehetnek. Lehetőséget adnak arra, hogy olyan helyekre tekintsünk be, amelyeket egyébként soha nem látnánk. A Davis által felfedezett neutrínók a Nap kellős közepén lezajlott nukleáris reakciók során keletkeztek, és csak azért tudtak kiszabadulni erről a hihetetlenül sűrű és forró helyről, mert alig lépnek kölcsönhatásba más anyaggal. Még a Földtől több mint százezer fényévnyire lévő felrobbanó csillag középpontjából repülő neutrínót is észlelhetünk.
Emellett ezek a részecskék lehetővé teszik az univerzum nagyon kis léptékű megfigyelését, sokkal kisebb méretben, mint amit a Higgs-bozont felfedező genfi Nagy Hadronütköztető képes betekinteni. Ez az oka annak, hogy a Nobel-bizottság úgy döntött, hogy egy újabb neutrínótípus felfedezéséért ítéli oda a Nobel-díjat.
Rejtélyes eltűnt
Amikor Ray Davis napneutrínókat figyelt meg, a várt számnak csak a harmadát találta. A legtöbb fizikus úgy vélte, hogy ennek oka a Nap asztrofizikájának gyenge ismerete: talán a csillag belsejét bemutató modellek túlbecsülték a benne keletkező neutrínók számát. Az évek során azonban, még a napelemes modellek fejlődésével is, a hiány továbbra is fennállt. A fizikusok egy másik lehetőségre hívták fel a figyelmet: a probléma összefügghet azzal, hogy megértjük ezeket a részecskéket. Az akkor uralkodó elmélet szerint nem volt tömegük. Néhány fizikus azonban azzal érvelt, hogy a részecskék valójában végtelenül kicsinyektömeg, és ez a tömeg volt a hiányuk oka.
Háromarcú részecske
A neutrínók oszcillációinak elmélete szerint a természetben három különböző típusú neutrínó létezik. Ha egy részecskének van tömege, akkor mozgása során egyik típusról a másikra változhat. Három típus - elektron, müon és tau - az anyaggal való kölcsönhatás során átalakítható a megfelelő töltött részecskévé (elektron, müon vagy tau lepton). Az "oszcilláció" a kvantummechanika miatt következik be. A neutrínók típusa nem állandó. Idővel változik. Egy neutrínó, amely elektronként kezdte létezését, müonná alakulhat, majd vissza. Így a Nap magjában képződött részecske a Föld felé haladva időszakosan müon-neutrínóvá alakulhat és fordítva. Mivel a Davis-detektor csak azokat az elektronneutrínókat tudta kimutatni, amelyek a klór argonná történő magtranszmutációjához vezethetnek, lehetségesnek tűnt, hogy a hiányzó neutrínók más típusúakká alakultak. (Mint kiderült, a neutrínók a Nap belsejében oszcillálnak, nem a Föld felé tartanak.)
Kanadai kísérlet
Az egyetlen módja ennek a tesztelésének az volt, hogy olyan detektort építenek, amely mindhárom neutrínótípusnál működött. Az 1990-es évek óta Arthur McDonald, a Queen's Ontario Egyetem munkatársa vezette azt a csapatot, amely ezt megtette az ontariói Sudburyben található bányában. A létesítményben a kanadai kormánytól kölcsönadott tonna nehéz víz volt. A nehézvíz egy ritka, de természetesen előforduló vízforma, amelyben a hidrogén egy protont tartalmaz,nehezebb deutérium izotópja váltja fel, amely protont és neutront tartalmaz. A kanadai kormány nehézvizet halmozott fel, mert azt hűtőközegként használják az atomreaktorokban. Mindhárom neutrínótípus képes elpusztítani a deutériumot protont és neutront képezve, majd a neutronokat megszámolták. A detektor körülbelül háromszor annyi részecskét regisztrált Davishez képest – pontosan annyit, amennyit a legjobb Napmodellek jósoltak. Ez azt sugallja, hogy az elektron-neutrínó más típusaiba oszcillálhat.
Japán kísérlet
Körülbelül ugyanebben az időben Takaaki Kajita, a Tokiói Egyetemről egy másik figyelemre méltó kísérletet végzett. Egy japán bányába telepített detektor nem a Nap beléből, hanem a felső légkörből származó neutrínókat regisztrált. Amikor a kozmikus sugárzás protonjai ütköznek a légkörrel, más részecskék záporai keletkeznek, beleértve a müonneutrínókat. A bányában müonokká alakították a hidrogénatommagokat. A Kajita detektor két irányban érkező részecskéket látott. Néhányan felülről zuhantak, a légkörből, míg mások alulról mozdultak. A részecskék száma eltérő volt, ami jelezte eltérő természetüket - rezgési ciklusuk különböző pontjain voltak.
Forradalom a tudományban
Ez mind egzotikus és csodálatos, de miért vonzzák magukra az oszcillációk és a neutrínótömegek akkora figyelmet? Az ok egyszerű. A huszadik század utolsó ötven évében kidolgozott részecskefizika standard modelljébenamely helyesen írta le a gyorsítókban és más kísérletekben végzett összes többi megfigyelést, a neutrínóknak tömeg nélkülinek kellett volna lenniük. A neutrínótömeg felfedezése arra utal, hogy valami hiányzik. A standard modell nem teljes. A hiányzó elemeket még fel kell fedezni, akár a Large Hadron Collider, akár egy másik, még megalkotásra váró gép révén.
