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 képet Mark Tiele Westra
szíves hozzájárulásával
közöljük

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 folynakw1.

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-díjatw2 Az elismerést azért nem oszthatta meg Clyde Cowannel, mert Cowan 1974-ben elhunyt.

Reines és Cowan kísérlete: az elektron-antineutrínók (νe) kölcsönhatásba lépnek a víz protonjaival (p+) egy nagy, vízzel és kadmium-kloriddal (CdCl2); töltött tartályban; a kölcsönhatás eredményeképpen pozitronok (e+, az elektronok antirészecskéi) és neutronok (n0) keletkeznek. A pozitronok annihilálódnak, amikor a közegben lévő elektronokkal (e) találkoznak, a neutronokat pedig a kadmium (Cd) atomok magjai nyelik el. Mindkét reakció gamma-fotonok (γ) kibocsátását eredményezi, amelyeket szcintillátorokkal tudnak detektálni. A szcintillátorok a jelet látható felvillanásokká alakítják át, amelyeket fotoelektron-sokszorozókkal lehet detektálni és feldolgozni.A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet Susana Cebrián szíves hozzájárulásával közöljük

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 kapottw2.

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 Intézetbenw3 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 részecskefizika standard modellje.
Az anyag részecskéinek két különböző típusa van: a leptonok és a kvarkok. Összesen 12 elemi részecske létezik, amelyek három családba sorolhatók, és minden család két leptonból (amelyek közül az egyik neutrínó) és két kvarkból áll. Az anyagi részecskék különféle típusú, bozonnak nevezett hírnökrészecskék segítségével tudnak egymással „kommunikálni” (minden alapvető kölcsönhatásért más bozon a felelős). A bozonokat úgy lehet elképzelni, mint kicsiny, jellegzetes tulajdonságokkal rendelkező energiacsomagokat. Egyes részecskék tömegét még ma is vizsgálja a tudományos közösség; az itt feltüntetett értékek 2008-ból származnak

A képet PBS NOVA szíves hozzájárulásával közöljük; a kép forrása: Wikimedia Commons
A vízzel majdnem teljesen
megtöltött Super-
Kamiokande tartály, ahogyan
felülről látszik. A nagyobb
méretű változatért kattintson
a képre

A képet Kamioka Observatory,
ICRR (Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo szíves hozzájárulásával
közöljük

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 kísérletw4, 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-bőlw5 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 Laboratóriumbanw6 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 Obszervatóriumbanw7 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 vizsgálatokhozw8.

A svájci Genfben található CERN-ből az olaszországi Gran Sassóba irányított nyalábban a müon-neutrínók egy része tau-neutrínókká alakul át, amelyeket az OPERA detektál. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet CERN szíves hozzájárulásával közöljük

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-benw2 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 összetételérőlw9.

Fúzió a Nap belsejében: két hidrogénmagból a fúzió során egy deutériummag, egy pozitron és egy neutrínó keletkezik. A pozitron hamar összetalálkozik egy elektronnal és annihilálódik, így csak energia marad hátra. A deutériummag egyesül egy újabb hidrogénmaggal, így hélium-3 izotóp jön létre. Az utolsó lépésben két hélium-3 magból keletkezik egy hélium-4, és két hidrogénmag. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával közöljük
Egy művész elképzelése az
SN1987A jelű szupernóva
körüli anyagról: két külső
gyűrű, legbelül pedig az
eltorzult, kilökődött anyag

A képet ESO / L Calçada szíves
hozzájárulásával közöljük

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 IceCubew11 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.

 

Az IceCube
neutrínóteleszkóp a Déli-sarkon található (bal oldalon felül; a Déli-sarki Állomás a kifutótól balra, az IceCube tőle jobbra helyezkedik el). A berendezés több ezer önálló digitális optikai modulból áll (jobb oldalon felül), amelyek minden neutrínó beérkezési idejét rögzítik. A modulok a jégben található mély lyukakba vannak ágyazva, amelyeket forró víz segítségével fúrtak (bal oldalon alul; a nagyobb méretű változatért kattintson a képre). Amikor egy neutrínó eltalálja a sarki jég egy protonját, kék fényből álló Cserenkov-kúp keletkezik (jobb oldalon alul; a nagyobb méretű változatért kattintson a képre), és a fény útja rekonstruálható a neutrínók detektálási idejéből

A képeket NSF szíves hozzájárulásával közöljük

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 atomreaktorokatw12.

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.

A vízzel telt Super-
Kamiokande detektor
tartálya. A nagyobb méretű
változatért kattintson a képre

A képet Kamioka Observatory
(Tokiói Egyetem), ICRR
(Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo szíves hozzájárulásával
közöljük

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 KamLANDw13 kísérlet során Japánban, bár a nagyszámú atomerőmű korlátozta a vizsgálatokat, mert az általuk kibocsátott antineutrínók energiája hasonló a geoneutrínókéhoz. 2009-ben egy, a Borexino-kísérletbenw6, 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.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

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

Institution

CERN, ILL

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