A kísérleti fizikusok céltudatos szöszmötölései ritkán váltanak ki mindent elsöprő izgalmat a modern fizika tekintetében többnyire laikus közvéleményben. Most az egyszer azonban sikerült áttörniük a közönnyel elegy értetlenség falát, s rögvest a címlapokra kerülniük.
Ehhez annyi kellett, hogy egy százharminc főből álló tudóscsoport nyilvánosságra hozza azt, amit már hónapok óta tudott, ám eddig félt megosztani a világgal: egy néhány hónappal ezelőtti kísérlet mintha kissé megrendítette volna az uralkodó fizikai világkép egyik alappillérét.
Alagúthatás
Mindehhez nem is kellett más, mint hogy a Genf melletti részecskekutató központ, a CERN egy kísérlete során nagy energiájú neutrínókat bocsásson ki a tőle 732 kilométerre délkeletre, az Appenninek között fellelhető Gran Sasso hegy gyomrában megbújó olasz vevőállomás felé. A tudósok gondosan kimértek mindent: a részecskék mozgását nem holmi stopperórával, hanem a legmodernebb eszközökkel követték. (Például precíz, műholdalapú helymeghatározó metódussal - persze nem azokkal a közhasználatban lévő ketyerékkel, melyek gyanútlan kamionsofőröket csalogatnak be a mocsárba...)
A kísérlet a CERN úgynevezett OPERA programjának a része volt, mely a neutrínók oszcillációját hivatott ellenőrizni: eme hipotetikus folyamat során a neutrínók típusai (az őket generáló részecskékről elnevezett elektron-, müon- és tau-neutrínók) képesek egymásba alakulni, azaz a kvantum-színdinamika nyelvén képesek ízt (flavour) váltani.
A neutronoszcillációt egy olasz tudós, bizonyos Bruno Pontecorvo jelezte előre: az erősen balos érzelmű fizikus (amúgy Gillo Pontecorvo filmrendező testvére) egyike azon keveseknek, akik 1950-ben, a hidegháború kellős közepén Nyugatról inkább Keletre disszidáltak. A tézis ellenőrzésére a CERN Szuper Proton Szinkrotonjában protonokkal bombáztak egy grafit célpontot. A keletkező kaon és pion nevű, igencsak instabil (de azért fókuszált sugárnyalábba rendezett) részecskék bomlása nyomán létrejövő, müon-neutrínókból és más, a kísérlet szempontjából nemkívánatos részecskékből (müonok, protonok, kaonok, pionok) álló sugárnyalábot ismét csak egy grafit-acél kombinációjú célpontba vezették, ahol a neutrínókon kívül nagyjából minden elnyelődik. Ezt követően a neutrínók még 732 kilométert utaztak a földkéregben, míg megérkeztek a Gran Sasso föld alatti obszervatóriumba, s közben egy részük - a hipotézis szerint - más típusú, például tau-neutrínóvá alakult volna. (Erre is találtak bizonyítékot.) Nos, a neutrínók a kísérlet során meg is érkeztek, de bizony a számíthatónál 60 nanoszekundummal hamarabb (a nanoszekundum ugye a másodperc milliárdod része), ami nem csupán tömegközlekedési viszonylatban okozna meglepetést. Eredetileg a tudósok is valami banális mérési hibára gyanakodtak, ám lapzártánkig nem leltek olyan malőrt, ami az eltérést magyarázhatná. A kutatók előtt jól ismert volt, hogy egy néhány évvel ezelőtti földrengés következtében Genf és a Gran Sasso hegy vagy 7 centiméterrel közelebb került egymáshoz, s ennek tudatában alakították ki a mérés hibahatárát. (A távolság tekintetében az eltérés a két pont között nem lehet több 20 cm-nél.) Mindez abból a szempontból is fontos, hogy például a fény, amelynek sebességét a gyanú szerint túllépte volna a neutrínóáram, 60 nanoszekundum alatt nem kevesebb, mint 18 métert tesz meg.
A fentiekből még nem következik, hogy a kísérlet eredményét egyöntetűen elfogadná, pláne azonos módon értékelné a nemzetközi tudományos közvélemény. Jellemző, hogy az ügyben megszólaló kutatók többsége még arra vár, hogy valamilyen, a kísérlet szakszerűségét, megbízhatóságát kétségbe vonó evidenciára derüljön fény, vagy valami egyszerűbb, kézzelfoghatóbb magyarázatot remélnek, ami megfelelő kontextusba helyezheti az OPERA-kísérlet eredményeit. Többen is megfogalmazták: a neutrínók mozgását szinte lehetetlen követni, s ezért az egész bejelentés voltaképpen nevetséges. Mások szerint, habár a mérés tényleg pontos, nem kell mindjárt az Einstein-féle rendszer haláláról beszélni. Könnyen lehet, hogy "csak" olyan részecskefizikai aszimmetriákra leltünk, melyekkel a jeles elődök (például Einstein) se számoltak, ám ez esetben már ki kell egészíteni, javítani a relativitáselméleten alapuló fizikai világképet, mely mind kísérleti bizonyítékait, mind számítható következményeit, mind heurisztikai potenciálját (felfedezőerejét) tekintve kétségtelenül működik.
Az OPERA-kísérletben részt vevő kutatók egyelőre maguk is megerősítésre várnak. Ez leginkább a Chicago melletti Fermilabtól várható, amely MINOS kód alatt egy hasonló kísérletet futtat - ám ennek pontossága lényegesen elmarad az OPERA-étól. Mindenesetre a MINOS keretében már korábban is észleltek a fénysebességnél gyorsabb neutrínókat, ám pontosan a nagyobb bizonytalanság miatt nem értékelték ezt statisztikus értelemben is jelentősnek. Mindezen kétségek dacára a Fermilabben elvégzik majd a kísérlet ellenőrzését - megjósolható, hogy bármi lesz is a kontroll eredménye, az további vitákat fog gerjeszteni.
A csillagfény határa
A fénysebesség hipotetikus áttörése éppen azért keltett akkora feltűnést, mivel annak vákuumban mért, a fizikában a c konstanssal jellemzett értéke a kevés stabil pont egyike az Einstein által megalapozott relativisztikus világképünkben. Ez a mi világegyetemünkben elérhető maximális sebesség, amit tömeggel rendelkező testek semmiképpen sem léphetnek át, s ami a tömeggel nem bíró részecskék, mezők (például az elektromágneses mező), sőt mai sejtések szerint a gravitáció, illetve a hipotetikus gravitációs hullámok terjedési sebessége - megint csak vákuumban. Csak a tudománytörténeti pontosság kedvéért: azt, hogy a fény (vákuumban mért) sebessége állandó, és független mind a kibocsátó fényforrás sebességétől, mind a megfigyelő vonatkoztatási rendszerétől, nem is Einstein, hanem zseniális holland kollégája, Lorentz számolta ki még 1904-ben. Az eredményhez vezető úgynevezett Lorentz-invariancia az alapja az olyan modern fizikai elméleteknek, mint a kvantum-elektrodinamika, a kvantum-színdinamika, a részecskefizika sztenderd modellje, vagy éppen az Einstein-féle általános relativitáselmélet. Az ezeken alapuló modern fizikai világkép szerint egy anyagi részecskét csupán végtelen nagyságú energiával tudnánk fénysebességre gyorsítani, azt átlépni pedig lehetetlen.
Jellemző módon eddig minden, a fénysebesség túllépéséről tudósító észlelést képesek voltak a fenti értelmezési kereten belül megmagyarázni, s valamely relativisztikus hatásra visszavezetni. A lényeg, hogy energia, anyag és információ egyszerre, csomagban biztosan nem lépheti át a fénysebességet. Akad néhány egzotikus kvantumeffektus, mint például a Hartman-effektus, melynek értelmében bizonyos virtuális részecskék ugyanany-nyi idő alatt jutnak át egy akadályon, annak vastagságától függetlenül. Ennek révén elméletileg átléphető a fénysebesség, ám információátvitel ez esetben sem történik. Hasonlóképpen a tudósok jórészt optikai illúzióval magyarázzák a szuperluminális mozgás jelenségét, amikor a magjukban fekete lyukat tartalmazó távoli kozmikus objektumok (többnyire rádiógalaxisok, kvazárok, mikrokvazárok) egy irányított sugárnyalábot (úgynevezett jet-et) bocsátanak ki, látszólag a fénysebességnél gyorsabban. Valójában ilyenkor a közel fénysebességű anyagkibocsátás viszonylag kis szögben a földi megfigyelő felé irányul. A menet közben a nagy sebességű, gerjesztett, relativisztikus anyagsugár által kibocsátott fényimpulzusok a vártnál hamarabb jutnak el a megfigyelőhöz (az anyagsugár egy korábbi pozíciójából kibocsátott fény előbb éri el a következő pozíciót, mint maga a jet), s ez kelti azt az illúziót, hogy maga az anyagsugár mozogna a fénysebesség többszörösével. A távolabbi galaxisok egymáshoz viszonyított, sokszor a fénysebességnél is gyorsabb mozgásánál pedig figyelembe kell venni, hogy esetleg maga az univerzum tágul a fény sebességénél gyorsabb ütemben. Azt meg már csak zárójelben tennénk hozzá, hogy a fizika némely nonkonformista művelői a mostani kísérleti eredményre is tudnak kellően extrém magyarázatot. Ehhez csak fel kell tételezni, hogy a relativisztikus fizika által leírt téridő-univerzumon, a 3+1 téridő-dimenzión kívül (felül) léteznek magasabb dimenziójú világok is. Ez esetben a mi világunk két pontja között az átmenet lehet egészen pillanatszerű, csupán át kell lépni egy magasabb (negyedik, ötödik) dimenzióba - ami például jól modellezhető azzal, amikor egy papírlapon elhelyezett két pontot hozunk fedésbe egymással azáltal, hogy ravaszul összehajtjuk a lapot.
Apró pontok
A neutrínók maguk is a nagy univerzális részecskecsalád viszonylag kevéssé ismert, kicsiny tagjai. Kisebbek, mint a protonok meg a neutronok, melyek az atommagot alkotják, s jóval kisebbek még az atomok héjában található elektronoknál is - az általunk ismert, szigorúan vett, érzékszerveinkkel megtapasztalható anyag jól megvan nélkülük is. Ennek dacára mindenhol ott vannak, óriási mennyiségben vannak jelen környezetünkben és bennünk is, csak éppen nem vesszük észre a jelenlétüket, hiszen nem lépnek reakcióba velünk. (Amúgy ne bízzuk el magunkat: az általunk ismert anyagféleség pusztán az univerzum négy százalékát teszi ki!) A neutrínók közelebbről a leptonok közé tartoznak, akárcsak a közismert elektronok, és a kevéssé közismert müonok és tau-részecskék, melyekkel három fajtájuk kapcsolatba hozható. Már létükre is csak úgy következtetett Pauli, a zseniális dán tudós, hogy nélkülük nem teljesültek volna az egyik nukleáris alapreakció, a béta-bomlás esetén a megmaradási törvények. Neutrínók mindenhol keletkeznek a világegyetemben, ahol radioaktív bomlás zajlik - forrásuk éppúgy lehet egy csillag, mint a Föld belseje vagy éppen a paksi atomerőmű. Legegzotikusabb forrásaik az úgynevezett szupernóva-kitörések, ahol a protonok elektronbefogással neutronokká alakulnak - s közben neutrínók szabadulnak fel. A földünket elérő neutrínósugárzás éppen keletkezésének körülményei miatt mindig is kozmikus információt hordoz - a neutrínókutatás pont ezért kulcsfontosságú a napfizika, az asztrofizika, a kozmológia és persze a részecskefizika számára is.
Sokáig úgy hitték, hogy tömegük sincs, alig több mint egy évtizede, éppen a már említett neutrínóoszcilláció felfedezésével vált bizonyossá, hogy legalább egyik fajtájuk bír valamennyi (nagyon csekély tömeggel), ami így is csak egy hidrogénatom milliárdod része. A neutrínók amúgy sem könnyen észlelhető részecskék: hogy mást ne mondjunk, kis tömegük és az elektromágneses sajátságok hiánya miatt úgy mennek át Földünkön, mintha itt se volnánk.
Korábban a fizikusok - a sztenderd modellt alapul véve - azt feltételezték, hogy a neutrínóknak tömeg híján csupán egyfajta (a részecskefizika játékos nyelvén "balkezes") változatuk lehetséges, amelyre hat az úgynevezett gyenge kölcsönhatás. Ha viszont van tömegük (s úgy tűnik, van nekik ilyen), akkor létezniük kell "jobbkezes" neutrínóknak is, amelyre nézve a gravitáción kívül semmilyen kölcsönhatás nem működik. Elvileg éppen az ilyen dilemmák feloldására hozták létre az OPERA-kísérletet, amely - meglehet, átmenetileg - egészen más észlelései miatt vált fontossá, ám idővel talán ezekre az eredeti, szintén izgalmas kérdésekre is választ kaphatunk.
