Ismerkedés a neutrínókkal Understand article

Fordította: Szakály Nikoletta. Mi a közös a kontinensek vándorlásában, az atomerőművekben és a szupernóvákban? A neutrínók, magyarázza Susana Cebrián.

Mik azok a neutrínók?

A neutrínók – amelyeknek neve „semlegeskét” jelent – mindenütt megtalálhatók körülöttünk. Ezek az apró elemi részecskék közel fénysebességgel mozognak a világűrben, és nem rendelkeznek töltéssel. Régebben úgy gondolták, hogy tömegük sincsen, azonban a tudósok ma már úgy vélik, hogy igenis van tömegük; a becslések szerint ez kevesebb, mint a hidrogénatom tömegének egy milliárdod része, de a kutatások még ma is folynak^w1.

Az Univerzumban leggyakrabban előforduló részecskék közé tartozó neutrínók létezését Wolfgang Pauli osztrák fizikus tételezte fel 1930-ban, hogy megmagyarázza a radioaktív béta-bomlás során tett megfigyeléseket. Azonban csak az első atomerőművek megépítése után állt elegendően nagy – a bomló hasadványokból származó – neutrínófluxus a kutatók rendelkezésére, hogy megerősítsék ezen részecskék létezését (valójában a neutrínók antirészecskéit, az antineutrínókat tudták érzékelni; további információért az antirészecskékről ld.: Landua & Rau, 2008). 1956-ban Clyde Cowan és Frederick Reines két hatalmas, vízzel töltött tartályt épített a föld felszíne alatt, csupán néhány méterre attól az atomerőműtől, amely az egyesült államokbeli Dél-Karolinában található Aikenhez közel fekvő Savannah Riverben üzemel. A tartályban az antineutrínók kölcsönhatásba léptek a víz protonjaival (ld. az alábbi ábrát). 1995-ben Frederick Reines ezért a kísérletért nyerte el a fizikai Nobel-díjat^w2 Az elismerést azért nem oszthatta meg Clyde Cowannel, mert Cowan 1974-ben elhunyt.

A részecskefizika standard modellje szerint a neutrínók három ízben fordulnak elő (ld. az alábbi ábrát): ezek az elektron-neutrínó, a müon-neutrínó, és a tau-neutrínó, létezésüket pedig már kísérletekkel is igazolták. A müon-neutrínó detektálásáért Leon M. Lederman, Melvin Schwartz és Jack Steinberger 1988-ban fizikai Nobel-díjat kapott^w2.

A kutatók feltevései szerint létezhet egy negyedik típusú, „steril” neutrínó is, amely nem vesz részt a standard modellben leírt gyenge kölcsönhatásban; az elméletet alátámasztják a közelmúltban végzett kutatások eredményei (Hand, 2010; Reich, 2011), beleértve a franciaországi Grenoble-ban található Laue-Langevin Intézetben^w3 az 1980-as években végzett mérések finomított számításait is. Ha esetleg sikerülne megtalálni a steril neutrínót, a fizika egy új, a standard modellen túlmutató birodalma tárulna fel.

A három, biztosan létező neutrínó is elég különleges: egyik ízből a másikba oszcillálnak, azaz az elektron-, a müon- és a tau-neturínók átalakulnak egymásba. Ezt a jelenséget először a japán Super-Kamiokande kísérlet^w4, során figyelték meg 1998-ban, amelyben úgy találták, hogy a légkörben keletkezett müon-neutrínók „eltűntek”, feltehetően azért, mert tau-neutrínókká alakultak. Egy nemrégiben elvégzett kísérlet során megfigyelték egy ilyen esemény másik oldalát, azaz nem egy eltűnő müon-neutrínót, hanem egy felbukkanó tau-neutrínót: a svájci Genfben található CERN-ből^w5 éveken keresztül lőttek ki müon-neutrínó nyalábokat, és 2010-ben, három év után végre sikerült észlelni egy tau-neutrínót a CERN-től 730 km-re fekvő olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban^w6 elhelyezett OPERA detektorral (ld. az alábbi ábrát).

Az oszcilláció megfigyelésével a tudósok egy negyven éves rejtélyt is megoldottak: a kutatók mindig azt tapasztalták, hogy a Napból sokkal kevesebb elektron-neutrínó érkezik, mint amit a számítások szerint vártak. 2001-ben a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatóriumban^w7 kimutatták, hogy az elektron-neutrínók más ízű neutrínókká alakultak a Nap és a Föld közötti úton (Bahcall, 2004). A neutrínóoszcillációval kapcsolatos kísérletek jelenleg is folynak, például Franciaországban és Japánban, ahol a részecskegyorsítók és az atomerőművek nagyszámú antineutrínót szolgáltatnak a vizsgálatokhoz^w8.

Honnan származnak a neutrínók?

A neutrínók eredetileg mintegy 14 milliárd (14 x 10⁹) éve, 10^-43 másodperccel az Ősrobbanás után jöttek létre. Mindössze egy másodperccel később már nagy sebességgel távolodtak a forró és sűrű primer részecsketenger többi részétől; a tudósok ma is szeretnének olyan neutrínókat detektálni, amelyek az Ősrobbanásból maradtak vissza.

A neutrínók detektálása azért szinte lehetetlen feladat, mert nagyon gyengén hatnak kölcsön az anyaggal, de éppen ezért olyan érdekesek a tudomány számára. A többi részecskétől eltérően képesek kiszabadulni még az olyan sűrű területekről is, mint a Nap vagy a Tejútrendszer magja, és hatalmas távolságokat tudnak megtenni a távoli galaxisoktól anélkül, hogy elnyelődnének, így információt hordoznak ezekről a messzi vidékekről. Tehát a neutrínókat kozmikus hírnököknek tekinthetjük, ezért a neutrínócsillagászat egyre fontosabbá válik.

Mindezidáig csak két Földön kívüli neutrínóforrást figyeltek meg: a Napot és a szupernóvákat. A harmadik neutrínókkal kapcsolatos fizikai Nobel díjat Raymond Davis Jr. és Kosiba Maszatosi kapta 2002-ben^w2 a Napból és a szupernóvákból érkező neutrínók detektálásáért. A többi csillaghoz hasonlóan a Nap is bocsát ki elektron-neutrínókat azon folyamat több állomásán is, amely során a könnyű atommagokból fúzió során nehezebb magok keletkeznek (ld. az alábbi ábrát, további információért ld.: Westra, 2006, és Boffin & Pierce-Price, 2007); másodpercenként több mint 10¹⁰ napneutrínó éri el a Föld egy négyzetcentiméterét. A fotonokkal ellentétben, amelyeknek kb. 100 000 évre van szükségük, hogy a Nap magjából elérjék a külső fotoszférát és megkezdjék száguldásukat a Föld felé, a neutrínóknak mindössze nyolc percbe telik, hogy megtegyék az utat. Éppen ezért olyan hasznos hírnökök a napneutrínók, hiszen a Nap belsejében aktuálisan zajló fúziós reakciókról szolgáltatnak információt, például tájékoztatnak a Nap magjának kémiai összetételéről^w9.

A szupernóvákból érkező neutrínók akkor jönnek létre, amikor egyes csillagok élete drasztikus véget ér, a csillag felrobban, és több neutrínó keletkezik, mint foton (ld. Székely & Benedekfi, 2007): 1987-ben több detektor szokatlanul erős jelet észlelt, amit a Nagy Magellán-felhőben megfigyelt SN1987A jelű szupernóvából érkező neutrínóknak tulajdonítottak (ekkor néhány másodpercen belül több eseményt is regisztráltak, míg általában naponta csak egy neutrínót érzékeltek a műszerek). A tudósok több neutrínódetektor összekapcsolásával létrehozták a Korai Szupernóva-előrejelző Rendszert (Supernova Early Warning System)^w10, amely lehetővé teszi, hogy a csillagászok felkészüljenek ezen események észlelésére, ugyanis a csillagrobbanások során a neutrínók hamarabb jelennek meg, mint a fotonok, amelyeket a csillagászok detektálni szeretnének.

Azonban nem csak a csillagászokat érdeklik a neutrínódetektorok. A Földön léteznek természetes és mesterséges neutrínóforrások is: a Föld belsejéből származó radioaktív anyagok béta-bomlása során geoneutrínók keletkezhetnek. Ezen kívül az atomerőművekben is képződnek neutrínók, sőt, léteznek külön részecskegyorsítók, amelyeket neutrínóforrásként használnak kutatási céllal. A neutrínók további tulajdonságainak felderítése természetesen érdekes a részecskefizikusok számára, de rajtuk kívül a földtudósokat, sőt talán még a politikusokat is foglalkoztatják a neutrínók (ld. ‘Neutrinos as nuclear police’ és ‘Powering Earth’).

Végül, amikor a kozmikus sugarak elérik a Föld légkörét, atmoszférikus neutrínók jelennek meg, mint a pionok és müonok bomlástermékei. Ez a rendkívül bőséges természetes neutrínóforrás kellemetlenséget okoz a neutrínócsillagászoknak (ld. alább, „Hogyan lehet a neutrínókat detektálni?”), akiket az űrből érkező neutrínók érdeklik, viszont jó lehetőséget biztosít a neutrínófizikusoknak, hogy tanulmányozzák kedvenc részecskéiket.

Hogyan lehet a neutrínókat detektálni?

A neutrínók rendkívül hasznosak a csillagászati és kozmológiai jelenségek vizsgálatában, ezért világszerte épülnek neutrínódetektorok mélyen a föld alatt; így ugyanis kiszűrhető az egyéb részecskéktől származó „zaj”. A közelmúltban fejeződött be az eddigi legnagyobb detektor, az IceCube^w11 építése: ez egy egy köbkilométer térfogatú jégtömb a Déli-sarkon, amely asztrofizikai forrásokból származó neutrínók után kutató teleszkópként működik (ld. az alábbi ábrákat). Amikor egy neutrínó eltalálja a sarki jég egy protonját, megjelenik egy müon. Mint bármely töltött részecske, amely az adott közegbeli fénysebességnél gyorsabban (de természetesen a vákuumbeli fénysebességnél lassabban) halad, a müon is létrehoz egy – kék – fénykúpot: ez a Cserenkov-sugárzás, a hangrobbanás fotonikus megfelelője, ami egyes atomreaktorokban is megfigyelhető.

Ezt a fényt optikai szenzorok ezrei érzékelik, amelyek a jég belsejében, 1,5-2,5 km mélyen helyezkednek el, és háromdimenziós rácsot alkotnak; az adatok összesítésével meg lehet határozni a beérkező neutrínó energiáját és irányát. Az IceCube csak a földfelszín alól érkező müonokat figyeli, azaz a Földet használja szűrőként, hogy megkülönböztesse a kozmikus neutrínókból keletkezett müonokat attól a sok millió müontól, amelyek a kozmikus sugarakból jönnek létre a légkörben, a detektor fölött. Mivel a neutrínó az egyetlen részecske, amely akadálytalanul át tud haladni a Földön, minden müon, amely a felszín alól érkezik, biztosan a detektorban keletkezik egy kozmikus neutrínóból.

Más detektorokban eltérő anyagokat és eljárásokat alkalmaznak, de mindegyikben annyi anyagot helyeznek a neutrínók útjába, amennyit csak lehet, hogy kölcsönhatásra késztessék őket, hiszen a neutrínók így tudják felfedni magukat.

Neutrínók: atommag-rendőrség

A nukleáris fegyverek és anyagok felderítése több okból is fontos – például azért, hogy megelőzzék az atomfegyverek terjedését és a terrorizmust. A tudósok szerint a köbméteres anitneutrínó-detektorokat arra lehetne használni, hogy külső beavatkozás nélkül figyelhessék és őrizhessék az atomreaktorokat^w12.

Jelenleg a reaktorokat közvetett módon ellenőrzik (például műholdakkal, a gáz- és porkibocsátás megfigyelésével, valamint a fegyverek tesztelésekor alkalmazott szeizmikus és infrahang jelekkel), ám ezek a módszerek félrevezető adatokat szolgáltathatnak. A neutrínódetektorok valós idejű információt nyújthatnak a reaktormag teljesítményéről, sőt, akár még izotóp-összetételéről is. Egy kb. 500 detektorból álló, az egész világra kiterjedő rendszer képes lenne arra, hogy kiszámítsa az egyes reaktorok kimenő teljesítményét, ezáltal lehetővé téve a titkos atomfegyvertesztek felderítését.

Geoneutrínók

A neutrínókat a geofizikusok is detektálják. Az urán, a tórium és a kálium természetes radioaktív bomlása a Föld kérgében és köpenyében fenntartja az olvadt anyag áramlását a konvektív áramlatokban, amelyek a kontinensek vándorlásáért, a tengerfenék terjeszkedéséért, a vulkánkitörésekért és a földrengésekért felelősek.

Több modell is létezik a bomlás értelmezésére, a Föld kérgének összetételétől függően. A bomlás során keletkező geoneutrínók segíthetnek megválaszolni a kéreg összetételének kérdését. A geoneutrínókat először 2005-ben detektálták a KamLAND^w13 kísérlet során Japánban, bár a nagyszámú atomerőmű korlátozta a vizsgálatokat, mert az általuk kibocsátott antineutrínók energiája hasonló a geoneutrínókéhoz. 2009-ben egy, a Borexino-kísérletben^w6, ^w14 részt vevő nemzetközi csapat nagyobb sikerrel járt, ugyanis a vizsgálat helyszínének környezetében kevesebb atomerőmű volt. Ahhoz, hogy meg lehessen határozni az urán, a tórium és a kálium relatív mennyiségét, statisztikailag szignifikáns számú geoneutrínót kell gyűjteni.

Amíg Ön ezt a cikket olvasta, kb. 10 000 000 000 000 000 neutrínó haladt át a testén anélkül, hogy ezt észrevette volna. Bár a neutrínók parányiak, hatalmukban áll, hogy megerősítsenek vagy megcáfoljanak egy sereg tudományos elméletet.

Köszönetnyilvánítás

A szerkesztők szeretnének köszönetet mondani Dr. Christian Buck neutrínófizikusnak, a németországi Heidelbergben található Max-Planck-Institut für Kernphysik (Max Planck Magfizikai Intézet) munkatársának a cikk megírására során adott tanácsaiért.

References

• Bahcall J (2004) Solving the mystery of the missing neutrinos. Nobelprize.org. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall
• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fúzió a Világegyetemben: csillagporból születtünk. Science in School 4.
• Hand E (2010) Hunt for the sterile neutrino heats up. Nature 464: 334-335. doi: 10.1038/464334a
  • Töltse le a cikket díjmentesen itt, vagy fizessen elő a Nature magazinra még ma: www.nature.com/subscribe
• Landua R, Rau M (2008) Az LHC: egy lépéssel közelebb az Ősrobbanáshoz. Science in School 10.
• Reich ES (2011) The amazing disappearing antineutrino. Nature. doi: 10.1038/news.2011.202
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fúzió az Univerzumban: amikor egy óriáscsillag meghal… Science in School 6.
• Westra MT (2006) Fúzió a Világegyetemben: a Nap energiája. Science in School 3.

Web References

• w1 – A University College London kutatói megbecsülték a neutrínó tömegét: www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1006/10062204
  • A remények szerint a legpontosabb méréseket a KATRIN kísérlet szolgáltatja majd a németországi Karlsruhéban: www-ik.fzk.de/~katrin
• w2 – Itt olvashat Cowan és Reines kísérletéről: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf
  • További információért az 1988-as, 1995-ös és 2002-es fizikai Nobel-díjról ld.: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates
• w3 – A Laue-Langevin Intézetben működik a világ egyik legerősebb neutronforrása. Az intézet tagja az EIROforum-nak, a Science in School kiadójának. Ld.: www.ill.eu
• w4 – További információért a japán Super-Kamiokande kísérletről ld.: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
• w5 – További információért a CERN-ről, a világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriumáról, amely egyike az EIROforum (a Science in School kiadója) nyolc tagjának, ld.: www.cern.ch
  • Ha többet szeretne olvasni egy müon-neutrínó sikeres detektálásáról, amely tau-neutrínóvá alakult, ld. a CERN sajtóközleményét: http://public.web.cern.ch/press vagy használja a közvetlen linket: http://tinyurl.com/64cvhr5
  • Vagy nézzen meg egy, a témával foglalkozó videót: www.youtube.com/watch?v=M3aB_zUZ1c8
• w6 – Az abruzzói Gran Sasso Nemzeti Laboratórium, amely az olaszországi L’Aquila városa mellett fekszik, a legnagyobb föld alatt található részecskefizikai, részecske-asztrofizikai és nukleáris asztrofizikai kísérleti laboratórium a világon, beleértve az OPERA- és a Borexino-kísérletet is. Ha többet szeretne tudni, ld.: www.lngs.infn.it
• w7 – További információért a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatórium kísérleteiről ld.: www.sno.phy.queensu.ca
• w8 – Franciaországban és Japánban detektorokat helyeztek üzembe, hogy tovább elemezzék a neutrínóoszcillációt. Ld.: http://doublechooz.in2p3.fr és http://jnusrv01.kek.jp
• w9 – További információért a jelenlegi napneutrínó-kutatásokról ld.: http://arxiv.org/pdf/0811.2424
• w10 – A Korai Szupernóva-előrejelző Rendszer (Supernova Early Warning System) honlapja a következő címen található: http://snews.bnl.gov
• w11 – További információért az IceCube jelenleg folyamatban lévő kutatásairól ld.: http://icecube.wisc.edu
  • Olivier Hainaut, aki az EIROforum-hoz tartozó Európai Déli Obszervatóriumnak (European Southern Observatory, ESO), a világ legeredményesebb csillagászati obszervatóriumának munkatársa, az IceCube tudósaival beszélgetett a „80 teleszkóppal a Föld körül” („Around the world in 80 telescopes”) című, 24 órás internetes adás során, a Csillagászat Nemzetközi Évében, 2009-ben. Tekintse meg az online videót (1:27-től kezdve): www.eso.org/public/videos/10msouthpole
  • Az ESO honlapja: www.eso.org
  • További csillagászattal kapcsolatos irodalomért ld.:Starr C, Harwood R (2009) Education resources for the International Year of Astronomy. Science in School 13.
• w12 – Ha többet szeretne tudni a titkos reaktorok neutrínókkal történő felderítésének ötletéről, ld.: http://physicsworld.com/cws/article/news/44411
• w13 – Ha többet szeretne tudni a japán KamLAND kísérletről, ld.: http://kamland.lbl.gov
• w14 – Tudja meg a legújabb híreket a Borexino-kísérletről: http://borex.lngs.infn.it

Resources

• A Booster Neutrino Experiment és az Interactions.org kiváló áttekintő kiadványokat készített a neutrínókról, amelyek online ingyenesen elérhetők. Ld.: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) és www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
• Az IceCube projekt honlapja nagyszerű oktatási tevékenységet tartalmaz a „popcorn neutrínókról”, amely során a diákok megvizsgálhatják a béta-bomlással kapcsolatos elképzeléseket. Ld.: www.icecube.wisc.edu vagy használja a közvetlen linket: http://tinyurl.com/45ytuq7
• Három német nyelvű, diákoknak szóló, a neutrínókutatással foglalkozó előadás diáiért ld.: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
• A Particle Adventure szórakoztató online utazás a részecskefizika világába: http://particleadventure.org
• A Contemporary Physics Education Project nevű program keretében a diákok és a tanárok angol és spanyol nyelvű feladatlapokhoz férhetnek hozzá, amelyeket a részecskefizikai témájú osztálytermi tevékenységek során használhatnak fel. Az egyik tevékenység a megmaradási törvényekkel foglalkozik; ennek során Pauli nyomdokain haladva juthatnak el a tanulók addig, hogy megjósolják a neutrínó létezését (Activity 5). Ld.: www.cpepweb.org/Class_act.html
• A brit Tudományos és Technológiai Tanács összeállított egy forrásgyűjteményt, hogy segítse a részecskefizika tanítását. Ld.: www.stfc.ac.uk/Public and Schools/2563.aspx

Institutions

Author(s)

Susana Cebrián a spanyolországi Zaragozai Egyetem professzora, számos asztro-részecskefizikai kísérleten dolgozik a spanyol Canfranc Földalatti Laboratóriumban (Laboratorio Subterráneo de Canfranc).

Review

A neutrínók különös részecskék – parányiak, de lenyűgözőek. A cikk érthetően és szilárd tényeket felsorakoztatva tárgyalja eredetüket, tulajdonságaikat és detektálásukat. Jó háttérolvasmányként szolgál a fizikatanároknak, de azon diákok számára is kiindulópontot jelenthet, akik preztentációt készítenek a témáról, sőt, további társalgásra is sarkallhat olyan kérdésekről, mint az általános részecskefizika, a standard modell, a detektorok fizikája, a CERN, az asztrofizika, vagy a sugárzás.

A cikk elsősorban fizikaórákon lehet hasznos, de kapcsolódik a földtudományhoz is. Annak érdekében, hogy a téma fiatalabb (kb. 14 éves korú) tanulók számára is érthető legyen, azt javaslom, hogy a tanár válasszon ki egy-egy részletet a cikkből, amelyet aztán megvitathat a diákokkal.

Gerd Vogt, Ausztria

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF