Kezdőlap Régió

“Szellemrészecskéket” értek tetten átváltozásuk közben
http://richpoi.com

Harmadszor sikerült a tudósoknak “tetten érniük”, miként változik át a “szellemrészecskének” is nevezett neutrínó egyik fajtája a másikba az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) és az olaszországi San Grasso Laboratórium által végzett OPERA-kísérlet keretében.

Az eredmény magyarázatot adhat az úgynevezett napneutrínó-problémára, arra a jelenségre, miszerint a detektorok kevesebb neutrínót érzékelnek, mint ezt a Nap működési modelljéből várható lenne.

A neutrínó a leptonok közé tartozó könnyű elemi részecskék egyik fajtája. Elektromos töltése nincs, semleges, emiatt elektromágneses kölcsönhatásban sem vesz részt. A csaknem zéró tömegű részecskéknek három fajtája ismeretes: elektron, müon- és tau-neutrínó. Nevük onnan ered, hogy a standard modell szerint mindegyik kapcsolatba hozható egy másik, negatív töltéssel rendelkező leptonnal: az elektronnal, müonnal és a tau-részecskével. Neutrínók többféle forrásból is származhatnak, megkülönböztetnek mesterséges, például atomerőművekből eredő, továbbá földi, légköri és napneutrínókat.

Egymásba alakulás

A tudósok kevesebb napneutrínót mérnek, mint ez várható lenne, a hiányt a fizikusok a hiányt a háromféle részecske egymásba történő átalakulásával (neutrínóoszcillációval) magyarázzák. Az elmélet szerint a neutrínók nem tűnnek el, mindössze a detektorok az egyik fajtát keresik, miközben a neutrínók más alakot öltenek.

A neutrínóoszcilláció elméletének bizonyítására indították 2001-ben az OPERA-kísérletet. A CERN és az olaszországi Gran Sasso Laboratórium közös projektje a müon-neutrínók tau-neutrínóvá történő átalakulását vizsgálja. A Genf mellől indított műon-neutrínók 730 kilométeres utat tesznek meg a hegy gyomrában létesült olaszországi laboratóriumba, ahol egy 4000 tonnás detektor “pásztázza” a részecskéket. Tau-neutrínók után kutatnak, hiszen a Genfben indított részecskenyaláb kizárólag müon-neutrínókat tartalmazott.

Eddig két esetben 2010-ben és 2012-ben sikerült tau-neutrínókat megfigyelni, s a mostani eredmény igazolja a két korábbi mérés hitelességét. Antonio Ereditato, a Berni Egyetem fizikusa, az OPERA-kísérlet résztvevője szerint a tévedés valószínűsége egy a millióhoz.

A tudósok reményei szerint e kísérlet révén többet megtudhatnak a tau-neutrínók természetéről is, például sikerül meghatározni a tömegüket – olvasható LiveScience tudományos hírportálon (http://www.livescience.com/28243-third-tau-neutrino-detected.html).

A napneutrínó-probléma

A napneutrínó-probléma a részecskefizika egyik problémája volt. A problémát az jelentette, hogy a neutrínódetektorok kevesebb neutrínót észleltek, mint amit a Nap működési modelljéből várni lehetett volna. A napneutrínók számában tapasztalt hiányt elsőként Raymond Davis és John Bahcall amerikai fizikusok publikálták 1968-ban.

Nem sokkal ezután a részecskefizikusok arra a feltételezésre jutottak, hogy hibás az általánosan elfogadott napmodell. Ezt a feltételezést támasztotta alá az a tény, hogy nem ismerjük pontosan a Nap magjának kémiai összetételét, amely összefüggésben van a neutrínóképződés mértékével. A modell bemenő paraméterein való változtatások azonban nem bizonyultak megoldásnak, mivel a modell így ellentmondásba került a Nap megfigyelhető tulajdonságaival.

1969-ben Bruno Pontecorvo és Grimov felvetett egy elméletet, mely szerint az alacsony energiájú neutrínók átalakulhatnak egymásba (oszcillálhatnak), abban az esetben, ha eltér a nyugalmi tömegük (tehát az oszcilláció feltétele, hogy legalább az egyik rendelkezzen nyugalmi tömeggel). A Napból érkező elektronneutrínók így a Földig megtett útjukon átalakulhatnak más típusú, müon- vagy tau-neutrínókká, amit a detektorok nem érzékelnek.

29072_neutrino-cern1.jpg
Csak a 21. század elejére állt rendelkezésünkre a technika, hogy olyan detektorokat építsünk, amelyek érzékenyek az elektronneutrínókra és ugyanakkor a neutrínók mindhárom típusára is. Ilyen detektor a Super-Kamiokande és a Sudbury Neutrínó Obszervatórium, melyek mérései egyeztek a napmodell által előre jelzett neutrínófluxussal, bizonyítva ezzel a neutrínóoszcillációt.

A neutrínó a leptonok közé tartozó könnyű elemi részecskék egyik fajtája. A részecskék világában nem jelentős gravitációt kivéve csak gyenge kölcsönhatásban vesz részt, erős kölcsönhatásban nem kimutatható. Elektromos töltése nincs, semleges (innen a neve is, melynek jelentése olaszul ’semlegeske’), emiatt elektromágneses kölcsönhatásban sem vesz részt. Ez a magyarázata annak, hogy a neutrínó rendkívül közömbös az anyaggal szemben, azaz a kölcsönhatás (ütközési) hatáskeresztmetszete igen kicsi, s egy fényév vastag ólomfalon a neutrínóknak mintegy fele haladna át. Eme tulajdonságuk jelentős mértékben megnehezíti, hogy kísérleti úton észlelni tudjuk őket, mert a kimutatás alapja valamely kölcsönhatás.

A kölcsönhatási valószínűség ugyanakkor erősen függ a neutrínó energiájától: ennek következtében az is erőteljesen nő. Amikor a nagy energiájú neutrínó kölcsönhatásba kerül az anyaggal, általában töltött lepton keletkezik, ehhez hasonló folyamat felelős a hadronok gyenge bomlásaiért is. A pozitív pion bomlása során például a pionban lévő kvark–antikvark pár megsemmisül, és ennek során egy müonból és egy müon–antineutrínóból álló pár keletkezik. A különböző típusú neutrínók – és vele a részecskecsaládok – számának megállapítására legjobb módszer a Z-bozon bomlásának vizsgálata. Ez a részecske többféle neutrínóra és azok antineutrínójaira bomlik.