Fizikai Nobel-díj, 2015

Tömeges jelenlét

Tudomány

Sok remek tudós tett azért, hogy feltáruljanak a neutrínók titkai, s vannak köztük Nobel-díjasok is. Most ismét kettejüket díjazták, mégis lehet némi hiányérzetünk.

Egy japán és egy kanadai kutató kapta az idei fizikai Nobel-díjat a „neutrínóoszcilláció jelenségének igazolásáért, így a Napból érkező neutrínók rejtélyének meg­oldásáért”. Úttörő munkájuknak köszönhetően egyre több részlet derül ki az apró elemi részecskék viselkedéséről. Immár biztosnak tűnik, hogy nekik is van tömegük, ha nem is sok.

Részecskék több ízben

 

A neutrínók régóta boldog lakói a fizika úgynevezett standard modellje által definiált részecskecsaládnak. Azon belül az úgynevezett leptonok közé tartoznak, akárcsak jó ismerőseink, az elektronok, illetve a jóval egzotikusabb müonok és tau-részecskék (vagy tau-leptonok). A neutrínók csodája, hogy elektromos töltésük eleve nincs, innen ered nevük is – „semlegeske” –, s a gravitációt kivéve csupán gyenge kölcsönhatásban vesznek részt. Miután a kvark­hármasokból felépülő barionos anyag (például a mi nagyon is kézzelfogható, proton-neutron alapú univerzumunk) nem zavarja mozgásukat, de nem is vonzza őket, így bolygónkat is levegőnek nézik, s szinte veszteségmentesen repülnek át rajta. Hipotetikusan még egy teljes fényév vastagságú ólomtömbön is átjutna egy ­neutrínónyalábnak legalább a fe­le! Mindenesetre neutrínót mérni azért is nehéz, mert már a mérés is kölcsönhatást feltételez, vagyis a detektálás is gondot jelenthet (az ebből adódó néha abszurd fejleményekről lásd: Siet haza, Magyar Narancs, 2011. október 6.). De bármily nehéz észlelni a neutrínókat, hosszú évtizedek óta kutatják tulajdonságaikat. Már a 60-as években folytatott kísérletek is arra utaltak, hogy annak ellenére van tömegük, hogy még a könnyűsúlyú leptonok között is légiesnek tűnnek. Tulajdonképpen ez volt az a rejtély, amelyet gyakorlatilag a részecske ötvenes évekbeli fel­fedezése (sőt a svájci Wolfgang Pauli 1930-as, a neutrínó létezésére vonatkozó híres jóslata) óta megpróbáltak tisztázni.

Az elméleti modellek szerint a neutrínók lenyűgöző számban bolyonganak az univerzumban és közvetlen kozmikus szomszédságunkban. Ám a Földön működő detektorok rendre kevesebbet érzékelnek közülük, mint amennyinek a Napban (és valamennyi más csillagban) zajló termonuk­leáris reakciók közben keletkeznie kell – és a hiánnyal valahogy mégiscsak illene elszámolni! (Ezt nevezik Nap-neutrínó-problémának.) A kutatók régóta tudják, hogy mi lehet a látszólagos paradoxon forrása. Neutrínóból háromfélét ismer a fizika: elektron-, müon- és tau-neutrínót, attól függően, hogy melyik más, egyaránt negatív töltésű leptonnal hozza kapcsolatba őket a standard modell. Márpedig az e célra használt berendezések pusztán a Napból érkező elektron-neutrínók észlelésére voltak érzékenyek, s ha azok valamilyen oknál fogva, mondjuk egy oszcillációs folyamat során megváltoztak, átalakultak, akkor az észlelésükre szolgáló beren­dezések képtelenek voltak a jelenlétüket detektálni. A neutrínóoszcilláció hosszú időn át a legvalószínűbb hipotézisnek tűnt a részecskehiány magyarázatára, de igazolni csupán jó másfél évtizede sikerült. 1998-ban a japán Super-Kamiokande nevű neutrínóobszervatórium egyik kutatócsoportja a most díjazott Kadzsita Takaaki vezetésével a földi légkörbe hatoló kozmikus sugárzás által életre keltett neutrínókat vizsgálta, és úgy találta, hogy ezek részecskefizikai értelemben két „íz” (flavour) között oszcilláltak, mielőtt elérték volna a Kamioka-hegy alatt található detektort. 2001 augusztusában a kanadai Ontario tartományban – egy bánya mélyén, 2100 méterrel a felszín alatt – található Sudbury Neutrínó Obszervató­rium kutatói Arthur B. McDonald (a másik díjazott) vezetésével észlelték, amint a Napból érkező elekt­ron-neutrínók müon- és tau-neutrí­nókká oszcilláltak. Ráadásul a kis különbséggel publikált két kísér­leti eredmény egyaránt arra mutatott, hogy a részecskefizika standard modellje több sebből vérzik – hogy mást ne mondjunk, annak eredeti feltételezése szerint a neut­rínónak nincs is tömege, márpedig ha a neutrínó képes oszcillálni, akkor a kvantummechanika tör­vé­nyei szerint igenis rendelkezik né­mi tömeggel. 2010 júniusában fizikusok egy csoportja a galaxisok eloszlását tanulmányozva arra a következtetésre jutott, hogy a neut­­­rínók tömege alig egymilliárdod része egy hidrogénatoménak. De legyen bármily kicsi egyetlen neutrínó tömege, s képviseljenek csupán egy százalékot a világegyetem (az általunk ismert anyagfélék által reprezentált) tömegéből, a kozmológiai és a csillagok energiatermelési folyamataiban játszott szerepük nehezen túlbecsülhető. Sőt, lehet, hogy belőlük áll az úgynevezett forró sötét anyag is!

Annyi már most is bizonyos, hogy a csillagokban, így a Napban tapasztalható neutrínóakti­vitás szoros kapcsolatban állhat az ott zajló mágneses aktivitással. Márpedig a napkitörések, flerek a fő forrásai a Földet érő, enyhébb esetben sarki fényt, extrém esetekben felszíni zavarokat is okozó intenzív részecskezápornak, kozmikus sugárzásnak és mágnesesen töltött napanyagnak. Már sci-fi katasztrófafilm is készült, melyben szokatlanul viselkedő, s a földmaggal kölcsönhatásba lépő neutrínók okozzák Földünk végzetét: Roland Emmerich 2012 című bombasztikus alkotása sok minden más mellett szerencsére a tudományos alapot is nélkülözi.

A fizika James Bondja

 

Bár a standard modell érvényessége szempontjából is kulcsfontosságú neutrínókutatásokért sokan kaptak Nobel-díjat az utóbbi évtizedekben, a legfontosabb tudománytörténeti szerep egy olyan tudósnak jutott, aki nem csak fizikusi életművével vált híressé. A neves olasz filmrendező, Gillo Pontecorvo testvére, Bruno Pontecorvo (1913–1993) Enrico Fermi tanítványaként és munkatársaként még a 30-as években kapcsolódott a fizikai kutatásokba. A Via Panisperna-i srácoknak (I ragazzi di Via Panisperna) becézett kutatócsoportban együtt tisztázták kísérleti úton a láncreakció szempontjából kulcsfontosságú lassú neutronok tulajdonságait: Fermi 1938-ban ezért kapott fizikai Nobel-díjat. Pontecorvót a szigorodó olasz faji törvények külföldre kényszerítették, s az előrenyomuló nácik elől menekült a tengerentúlra. Ám professzorától eltérően nem kapott szerepet az amerikai Manhattan-tervben – már ekkor kommunistagyanúsnak tartották. Előbb egy olajvállalatnál hasznosította a lassú neutronokról szerzett tudását, majd a kanadai Montreal Laboratóriumban, a brit nukleáris kutatás csúcsintézményében kapott munkát: itt is a kozmikus sugárzás sajátosságaival, a neutrínók tulajdonságaival és a müonok bomlásával foglalkozott. 1948-tól már közvetlenül a brit atombomba-programban (AERE) dolgozott, amelynek jelentősége akkor vált nyilvánvalóvá, amikor 1950-ben a hidegháború kellős közepén családjával együtt a Szovjetunióba szökött. Utóbb több ex-KGB-s (például Pavel Szudoplatov) is állította, hogy Pontecorvót nem csupán egzotikus politikai meggyőződése hajtotta: aktív szovjet kém volt, aki a lebukást elkerülendő választotta az orosz klímát. Mindenesetre patronálói hagyták dolgozni az új hazájában Bruno Makszimovicsnak nevezett kutatót, így a müonbomlás és a neutrínók sajátosságai tanulmányozásának szentelhette életét. Annyi bizonyos, hogy számos tudományos munkája mérföldkőnek számít a részecskefizika, azon belül is a neutrínókutatás fejlődésében. Tőle származik az ötlet, hogyan lehet detektálni a nukleáris reaktorokban keletkező antineutrínókat (az ezt kidolgozó amerikai Frederick Reines 1995-ben kapott Nobel-díjat), de Pontecorvo jósolta meg azt is, hogy az elektronokhoz köthető neutronok tulajdonságai különböznek azoktól, melyeket a müonokkal asszociálunk (ennek kísérleti bizonyításáért 1988-ban kapta meg a Nobelt a J. Steinberger–L. Lederman–M. Schwartz trió). És ami most a leg­aktuálisabb: már 1957-ben előállt a neutrínóoszcilláció ötletével, a 60-as években pedig tudóstársaival együtt kidolgozta és publikálta a tudományterület matematikáját. A jelenséget kísérleti úton végül az idei két díjazott igazolta. Pontecorvo sosem kapott Nobel-díjat – úgy látszik, kémgyanús alakoknak nem jár.

Neked ajánljuk