A Csikai Gyula és Szalay Sándor által készített híres debreceni felvétel (1. ábra) a két protont és négy neutront tartalmazó héliumatommag (⁶He) bomlását örökítette meg. A ködkamra-felvételen jól látszik a három protont és három neutront tartalmazó lomha lítiumatommag (⁶Li) és a gyors elektron nyoma. Nyilvánvaló, hogy a lendület megmaradása megköveteli egy további részecske távozását, amely azonban a ködkamrában nem hagyott nyomot. A bomlás szokásos értelmezése, hogy a hélium egyik neutronja átalakult protonná, elektronná és elektron-antineutrínóvá, n⁽⁰⁾ → p⁽⁺¹⁾ + e^(–1) + anti-ν_e⁽⁰⁾ (a felső index az elektromos töltést jelzi a proton töltésének egységében). Ha az átalakuló neutron egy atommagban van, akkor a folyamat elemátalakulással is jár, amelynek során eggyel nagyobb rendszámú elem atomja keletkezik, amint a felvételen is látszik. Elemibb szinten a folyamat úgy zajlik le, hogy a neutronban egy d-kvark átváltozik u-kvarkká: d^(–1/3) → u^(+2/3) + e^(–1) + anti-ν_e⁽⁰⁾.

1. ábra • Csikai Gyula felvétele

a ⁶Li atommag béta-bomlásáról.

Ahogy közvetve a debreceni kísérlet is mutatta, a neutrínók és a szokásos anyag kölcsönhatása nem teljesen nulla, ami mégiscsak lehetőséget nyújt a neutrínók észleléséhez. A fenti példánk szerint mintegy 10^–5 annak valószínűsége, hogy a 12 740 km átmérőjű Földben elnyelődjenek a neutrínók. Akkor annak valószínűsége, hogy egy 12,74 m vastag (teremnyi méretű) neutrínódetektoron fennakadjanak, milliószor kisebb, 10^–11. Ahhoz tehát, hogy néhány neutrínót észleljünk egy nagy detektorban, ezermilliárd (10¹²) neutrínónak kell rajta áthaladnia. Ilyen sok neutrínót a Földön atomreaktorok termelnek. A neutrínók létezésének közvetlen kimutatása valóban atomreaktor közelében történt (előbb a hanfordi, majd a Savannah River-i reaktornál). 1956-ban Clyde L. Cowan és Frederic Reines a reaktorban keletkező antineutrínók kimutatásához az anti-ν_e⁽⁰⁾ + p⁽⁺¹⁾  → n⁽⁰⁾ + e⁽⁺¹⁾ folyamatban keletkező neutronokat és antielektronokat (pozitronokat) használták. A detektor anyaga CdCl₂ vizes oldata volt. A pozitronok azonnal találkoznak az anyag valamely elektronjával, és keletkezik belőlük két foton (e^(–1) + e⁽⁺¹⁾  → 2γ), amelyeket fénysokszorozó csövekkel észlelnek. A neutronokat az oldott kadmium atommagjai nagy valószínűséggel befogják, amit átlagosan 5 µs késéssel egy nagy energiájú foton kibocsátása követ: n + ¹⁰⁸Cd  → ¹⁰⁹Cd + γ. A fotont szintén a fénysokszorozók észlelik. A két fényjel – közöttük 5 µs késleltetéssel – tehát egy antineutrínó befogására utalt (2. ábra). Az adatgyűjtést elvégezték üzemelő és kikapcsolt reaktor mellett, így meg tudták határozni csupán a reaktorból származó neutrínók ütközésének gyakoriságát, abból pedig a folyamat hatáskeresztmetszetét (6,3×10^–48 m²), amely jól egyezett a Fermi-elméletből számolt elméleti jóslattal (6×10^–48 m²).

2. ábra • Antineutrínó és proton ütközésének termékei a Reines–Cowan-kísérletben.

Neutrínórejtélyek

Az 1960-as évek második felében Raymond Davis kezdte vizsgálni a Napból származó neutrínók áramsűrűségét. Addigra már elég sok ismeret gyűlt össze a Napban folyó energiatermelő folyamatokról (például 4p⁽⁺¹⁾  → ⁴He⁽⁺²⁾ + 2e⁽⁺¹⁾ + 2ν_e⁽⁰⁾). John N. Bahcall vette számba a Napban lezajló összes folyamatot, és végzett részletes modellszámításokat, amelyekből meg lehetett jósolni a Földre érkező elektron-neutrínók várható áramsűrűségét a neutrínók energiájának függvényében. Davis munkatársaival a dél-dakotai Homestake aranybányában a felszín alatt 1480 m mélyen 615 t perklóretilént (vegytisztítószer) tartalmazó neutrínódetektort telepített. A számítások alapján 1 SNU (solar neutrino unit, napneutrínó-egység), azaz 10³⁶ db klóratommagra egyetlen ν_e⁽⁰⁾ + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^(–1) folyamat volt várható másodpercenként. 10³⁶ klóratom tömege mintegy 45 ezer tonna, tehát a neutrínó-kölcsönhatások észleléséhez nagy tömegű detektorra van szükség. A mélységi elhelyezés célja a kozmikus sugárzás által keltett argonatomok elnyomása volt. A klóratommag és a neutrínó ütközésében radioaktív argon és elektron keletkezik. A folyamathoz szükséges energiájú neutrínó leginkább bór bomlásából keletkezik a Napban. A radioaktív argont kéthavonta kivonták a detektorból, és megmérték a radioaktivitását, amelynek erősségéből a keletkezett argonatomok számára lehetett következtetni: 2,56±0,23 SNU, azaz egyetlen argonatom keletkezett 48 óránként! Az eredményben az volt a meglepő, hogy Bahcall modellszámítása alapján 8,2±1,8 SNU volt várható, azaz a mért érték jóval kisebb volt a jóslatnál. Az eltérés megerősítése érdekében több más kísérletben is megmérték a Napból érkező neutrínók áramsűrűségét. A mérési eredmények mind megerősítették egymást, és mindig jóval kisebbnek adódtak a Nap-modell jóslatánál, ami Nap-neutrínó-hiány (vagy rejtély) néven vált ismertté.

A radiokémiai kísérlet, bár egyszerűnek hangzik, nagyon sok nehézség leküzdését kívánta. A legnagyobb kihívást a hetven nap alatt keletkező 17 Ar-atom kivonása jelentette. A módszer pontosságát erősen befolyásolta az argonatomok kivonásának hatékonysága, amit Davis nagyon gondosan meghatározott, de mégis érdemes volt más módszert is használni a Nap-neutrínók áramsűrűségének méréséhez. Az 1980-as években Kosiba Maszatosi csoportja a Kamiokande (Japán) cinkbányában épített egy 2140 t tiszta víz befogadására alkalmas acélhordót, amelynek a falára fénysokszorozó csöveket szerelt. A kísérlet eredeti célja az volt, hogy a protonok esetleges bomlását megfigyeljék. Akkor divatos elmélet szerint 1000 t vízben évente mintegy 300 proton bomlása volt várható, amelynek a végtermékei gyorsan (majdnem az üres térben mért fénysebességgel) mozgó töltött részecskék. Anyagban azonban a fény lassabban halad az anyag törésmutatójának hányadában. Így a detektorban a proton esetleges bomlásakor keletkező töltött részecskék gyorsabban haladnak, mint a fény, aminek jellegzetes kísérő jelensége fény kibocsátása a részecske haladási irányát körülölelő kúp mentén. Az ilyen, Cserenkov-sugárzásnak hívott fény a detektor falán ovális fényfoltot hagy, amelyet az ott elhelyezett fénysokszorozóval lehet mérni (3. ábra). Nos, Kosibáék detektora nem talált proton bomlására utaló Cserenkov-sugárzást.

Az együttműködés tagjai hamar rájöttek, hogy kísérleti berendezésük nem csupán neutrínók észlelésére lehet alkalmas, hanem a különböző (ν_e és ν_µ) neutrínók megkülönböztetésére is. Amennyiben müon-neutrínó ütközik a vízben található protonnal, akkor müon lökődik ki, amely lényegében egyenes pályán halad tovább, jól körülhatárolt Cserenkov-kúpot indítva. Ha azonban elektron-neutrínó érkezik, az elektront lök ki a protonból. Az elektron nagy energiájú fotont kelt, amely csakhamar elektron-pozitron párrá alakul, és így tovább. A ν_e tehát elektromágneses részecskék záporát kelti, és így a Cserenkov-kúp határa elmosódottá válik. Az eredeti detektor érzékenysége azonban messze nem volt elegendő. A proton tömege viszonylag nagy (940 MeV/c²), így az abból esetlegesen keletkező töltött részecskék energiája is nagynak volt várható, ezért nem volt szükség olyan kis energiájú (< 10 MeV) neutrínók észlelésére alkalmas érzékenységű detektorra, mint a Napból érkezők. Az érzékenység javítása céljából 1000 db nagyméretű (50 cm átmérőjű) fénysokszorozót helyeztek a hordó falára, és magát a hordót egy másik tartályba helyezték. Így 1500 t vízzel vették körül a belső hordót a háttérsugárzás kiszűrése érdekében (ún. antikoincidencia-módszerrel). A feljavított Kamiokande II kísérlet elrendezése érzékeny volt a beérkező neutrínók irányára, és megerősítette a Napból érkező neutrínók Davis kísérletében észlelt hiányát.

A Napon kívül más forrásuk is van a Földön kívülről származó neutrínóknak. A világűrből érkező kozmikus sugárzásban repülő protonok a Föld légkörébe érve ütköznek a felső rétegekben (felszíntől 15–20 km-re) található atommagokkal (jellemzően nitrogén- és oxigénatomok magjaival), aminek következtében elsősorban töltött π-mezonok, pionok keletkeznek. A pionok bomlékonyak. Jellemző folyamat például a π⁽⁺¹⁾  → µ⁽⁺¹⁾ + ν_µ⁽⁰⁾ bomlás. A keletkező müon szintén bomlékony, µ⁽⁺¹⁾  → e⁽⁺¹⁾ + anti-ν_µ⁽⁰⁾ + ν_e⁽⁰⁾. Hasonlóan bomlik a negatív töltésű pion (és a többi ritkábban megjelenő mezon) is, π^(–1)  → µ^(–1) + anti-ν_µ⁽⁰⁾  → e^(–1) + ν_µ⁽⁰⁾ + anti-ν_e⁽⁰⁾. A folyamat végén tehát neutrínók jelennek meg a légkörben (légköri neutrínók), méghozzá kétszer annyi müonhoz kapcsolódó, mint elektronhoz kapcsolódó (4. ábra). Így a (ν_µ + anti-ν_µ) részecskék áramsűrűségének és a (ν_e + anti-ν_e) áramsűrűségnek a várható aránya 2. (Pontosabban az arány függ a neutrínók energiájától is: 1 GeV alatt kettő, felette monoton növekszik.) A Kamiokande-detektorral ez az arány is mérhető, de a mérés tervezéséhez és az eredmények értelmezéséhez meg kell értenünk egy különleges, csak a neutrínókra jellemző jelenséget.

A neutrínók tulajdonságainak kutatása tehát több rejtélyes jelenséget is mutatott, amelyekről utóbb kiderült, hogy közük van a neutrínók tömegéhez. A neutrínók tömegének megmérése közvetlenül a trícium bomlásában (t  → ³He + e + anti-ν_e) keletkező elektronok legnagyobb energiájának mérésével lehetséges. Minél nagyobb a neutrínó tömege, annál kisebb az elektron lehetséges legnagyobb energiája. Minden korábbi mérés eredménye arra utalt, hogy a neutrínó tömege nem különbözik nullától a mérés bizonytalanságát is figyelembe véve. Így a részecskék standard modelljében a neutrínók tömegét nullának feltételezzük, annak ellenére, hogy nincs rá semmilyen komoly elméleti indok, hogy így legyen. Éppen ezért sok kísérlet célja a neutrínók tömegének megmérése.

Bruno Pontecorvo már 1960-ban felvetette, hogy a különböző fajtájú (szaknyelven ízű) neutrínók átalakulhatnak egymásba, egy rögzített ízű neutrínó, mondjuk ν_µ tömege nem egyértelmű, hanem több

(valószínűleg három) különböző rögzített m_i tömegű neutrínó keveréke. Ilyen esetben elemi kvantummechanikai számítással megkapható, hogy egy szabadon repülő müon-neutrínó meghatározott L távolságot befutva átalakulhat másik ízű, például tau-neutrínóvá. Annak valószínűsége, hogy nem alakul át L távolság után P(ν_µ →ν_µ)=1–sin²2θ × sin²(π/2×Δm²×c⁴×L/(h×c×E_ν)), ahol Δm² = m_j² – m_i² a keveredő neutrínótömegek négyzetének különbsége, h×c = 1,24×10^-9 eV×km a Planck-állandó és a fénysebesség szorzata, E_ν a neutrínó energiája, θ pedig a „neutrínókeveredés szöge”, amely megszabja az i és j tömegkomponensek részesedését ν_µ-ben. Ha θ = 0° (vagy 90°), akkor ν_µ tisztán ν_i (vagy ν_j), és nincs keveredés. Ha θ = 45°, akkor ν_µ-ben egyenlő arányban van ν_i és ν_j. Ebben az esetben a legnagyobb a neutrínókeveredés, és – kizárólag ν_µ« ν_τ keveredést feltételezve – meghatározott L távolságot megtéve ν_µ teljesen ν_τ-vá alakul. Amennyiben a neutrínó ezután továbbhalad, akkor újabb L távolság megtétele után visszaalakul az eredeti müon-neutrínóvá, és így oda-vissza alakul. Ezt a jelenséget nevezzük neutrínóíz-rezgésnek (5. ábra).

5. ábra • Annak valószínűsége az L/Ev függvényében, hogy a neutrínóíz-rezgés eredményeként a müon-neutrínó nem alakul át.

A neutrínóíz-rezgés feltétele, hogy a neutrínóknak legyen tömegük (egyébként Δm² = 0, és P(ν_µ  → ν_µ) = 1). Annak érdekében, hogy kézzelfogható képet nyerjünk, mekkora távolságokon számíthatunk átalakulásra, tegyük fel, hogy Δm² = (1 eV/c²)², a neutrínó energiája pedig 1 GeV (= 10⁹ eV). Ekkor Δm²×c⁴×L/(h×c×E_v) = L/1,24 km, tehát L = 1,24 km esetén a szinuszfüggvény értéke éppen 1, ami a legnagyobb ν_µ  → ν_τ átalakulást jelenti. Tízszer nagyobb neutrínóenergia esetén tízszer ekkora távolságra van szükség, Δm² = (0,1 eV/c²)² esetén százszor nagyobbra az átalakuláshoz. Ha sikerül észlelni a neutrínóíz-rezgést és meghatározni az átalakuláshoz szükséges távolságot, akkor következtetni tudunk a neutrínók tömegére.

Amennyiben a neutrínóíz-rezgés létezik, akkor az átalakulás miatt a légköri neutrínók keletkezésekor várt (ν_µ + anti-ν_µ)/(ν_e + anti-ν_e) = 2 aránytól eltérő arányban várhatjuk a kétfajta neutrínó észlelt arányát. A Kamiokande II detektorral észlelt neutrínók között 1988-ban 93±9,6 volt elektronhoz kapcsolódó és csupán 85±9,2 müonhoz kapcsolódó. Míg az előbbiek száma jól egyezett az elméleti modell becslésével, az utóbbiból sokkal kevesebbet sikerült észlelni. A kutatók megoszlottak az eredmény értelmezését tekintve. Egyesek szerint a mérés eredménye hibás volt, a modell megbízható adatokra támaszkodva adta a becslést. Mások szerint a müon-neutrínókra vonatkozó eredmény a neutrínóíz-rezgésnek tudható be. A légkörben keletkező neutrínók ugyanis érkezhetnek a detektor feletti égbolt felől, vagy éppenséggel a Föld túloldaláról, áthaladva a Földön (természetesen minden irányból, de ez a két szélsőséges helyzet), azaz a keletkezésüktől számítva 10–12 700 km utat megtéve (6. ábra). Így lehetőségük nyílt az átalakulásra az energiájuk és a megtett út függvényében. A kétkedők kifogása az volt, hogy a különböző irányokból érkező neutrínók esetén átlagosan legfeljebb a neutrínóíz-rezgés hatásának 50%-a észlelhető, az is csak akkor, ha a keveredés szöge 45°, amit valószínűtlennek gondoltak. Ezért a jelenséget légköri neutrínóanomáliának nevezték.

6. ábra • A zenittől mért szög függvényében

a légkörben keletkező neutrínók más-más távolságot tesznek meg, mire a detektorba (SK) érkeznek. Neutrínóíz-rezgés létezése esetén ez

az útkülönbség különböző mértékű átalakuláshoz vezet az alulról és felülről érkező neutrínók között.

Annak érdekében, hogy növeljék az eseményszámot, új detektort terveztek nagyobb térfogattal (22 500 t vizet magában foglaló belső, és azt 27 500 t vízzel körülölelő külső henger) és több (a belső henger falán 11 200 db 50 cm átmérőjű, a külsőn pedig 1900 db 20 cm átmérőjű) fénysokszorozóval. Ez lett a SzuperKamiokande kísérlet (8. ábra). A Kamiokande-detektorhoz képest mintegy hússzor nagyobb belső térfogat a neutrínóesemények számának gyakoriságát hússzorosára növelte. A nagyszámú fénysokszorozó lehetővé tette a neutrínóesemények részletes elemzését. A detektor 1996-ra készült el, és 1998 tavaszára már 5400 neutrínóeseményt figyeltek meg. Szinte 100%-os hatásfokkal tudta a müon-neutrínókat észlelni, és gyorsan sikerült megerősíteni a Kamiokande II-nek az R_µ/e = (ν_µ + anti-ν_µ)/(ν_e + anti-ν_e) hányadosra kapott eredményét, amely szerint a mért adatok és a neutrínóíz-rezgést nem feltételező elmélet szerinti értékhányadosa (R_µ/e)_mérés/(R_µ/e)_elmélet = 0,688 ± 0,053, amit akár a müon-neutrínók átalakulásaként is lehet értelmezni.

8. ábra • A SzuperKamiokande detektor

belseje üres állapotban

Az új tudományos eredmények nem azért izgalmasak, mert választ adnak egy kérdésre, hanem azért, mert új kérdések sokaságát vetik fel. Így volt ez a neutrínóíz-rezgés felfedezésével is. Meg kellett mérni a rezgéshez szükséges Δm² tömegnégyzet-különbséget, a keveredés Θ szögét. A mérésben csak a müon-neutrínók eltünedezését sikerült észlelni. Vajon a várakozásnak megfelelően tau-neutrínóvá alakultak? (Emlékezzünk: az elektron-neutrínók száma nem változott.) Van-e keveredés más neutrínók között? Nem utolsósorban: a légköri neutrínókra talált átalakulást meg lehet-e figyelni a Napból érkező neutrínók esetében is? A korábban fejtegetett Nap-neutrínó-rejtélyre is a neutrínóíz-rezgés a magyarázat?

Az SNO detektorának anyaga 1100 t tiszta nehézvíz (D₂O) volt egy 6 m sugarú gömbben. Az ebben lévő deutérium-atommaggal ütköző neutrínók folyamatai lehetnek töltött részecskéket keltő ν_e⁽⁰⁾ + d⁽⁺¹⁾  → p⁽⁺¹⁾ + p⁽⁺¹⁾ + e^(–1), illetve semleges részecskét keltő ν_x⁽⁰⁾ + d⁽⁺¹⁾  → p⁽⁺¹⁾ + n⁽⁰⁾ + ν_x⁽⁰⁾ folyamatok, amelyek a bór béta-bomlásából eredő neutrínókra érzékenyek. A töltött folyamatban csakis az elektron-neutrínók vesznek részt, míg a semlegesben mindhárom neutrínó egyformán (x = e, µ, τ), amennyiben energiájuk nagyobb a deuteronban kötött proton és neutron 2,2 MeV-os kötési energiájánál. A két folyamat mellett lehetséges még a neutrínók rugalmas szóródása a nehézvíz elektronjain: ν_x + e  → ν_x + e, amelyben ugyan mindhárom neutrínó részt vehet, de elsősorban az elektron-neutrínókra érzékeny. Minthogy a detektor egyszerre méri az érkező elektron-neutrínók áramsűrűségét magában és az összes neutrínó áramsűrűségét, így neutrínóíz-rezgés létezése esetén egyértelmű választ lehet adni arra, hogy mi történik a Nap-neutrínó-rejtélyben eltűnt elektron-neutrínókkal: az elektron-neutrínók másfajtává alakulnak át, így az összes neutrínó áramsűrűsége nem csökkenhet. A mérés értelmezéséhez nincs szükség összehasonlításra a Nap-modell által becsült neutrínóáram-sűrűségekkel.

Az SNO 2002-ben közölt eredményei egyértelműen a neutrínóíz-rezgést támasztották alá: az elektron-neutrínók áramsűrűsége a Föld felszínén a töltött részecskés folyamat alapján Φ_t = (1,59±0,1)×10⁶ cm^-2×s^-1, míg az összes neutrínóé a semleges folyamat alapján Φ_s = (5,21±0,47)×10⁶ cm^-2×s^-1. Minthogy a Napból elektron-neutrínók indulnak, az eredmény úgy értelmezhető, hogy a repülés közben azok egy része másfajta neutrínóvá alakult. Ezt az értelmezést erősíti, hogy a Nap-modell szerint a várható neutrínóáram-sűrűség Φ = (5,82±1,34) ×10⁶ cm^-2×s^-1, jó egyezésben a mért Φ_s-vel. Az SNO tehát szintén neutrínóíz-rezgést észlelt, de a SzuperKamiokande felfedezésével ellentétben itt elektron-neutrínók alakultak át másfajta neutrínóvá.

Másik lehetőség a neutrínótömeg rejtélyének megoldására, ha a neutrínók önmaguk antirészecskéi, ami szintén természetes lenne elméleti szempontból. Az elméletben ugyanis a részecske-antirészecske megkülönböztetés egyedüli forrása elemi részek esetén az ellentétes elektromos töltés. Semleges neutrínók esetén ilyen megkülönböztetés nyilvánvalóan nem lehetséges. Az ilyen, ún. Majorana-neutrínók létezésének következménye lenne az olyan kettős bétabomlás, amelyben nem keletkezik neutrínó: n⁽⁰⁾ + n⁽⁰⁾  → 2 p⁽⁺¹⁾ + 2 e^(–1). A folyamatban sérülne a leptonok számára vonatkozó megmaradási törvény (kezdetben nincs elektron, a végén van kettő), amit eddig nem sikerült megfigyelni a természetben.

Zárszó

Korunk részecskefizikájának kiemelkedően fontos része a neutrínók tulajdonságainak kutatása. Jól mutatja ezt a neutrínóíz-rezgés felfedezéséért 2015-ben adott fizikai Nobel-díj, de az is, hogy 2015. november 8-án jelentették be San Franciscóban, hogy a 2016. évi Fizikai Áttörés díjának (Breakthrough prize in Fundamental Physics, 3 millió USD) kitüntetettjei öt neutrínókísérlet – a kínai Daya-Bay, a japán KamLAND, K2K/T2K, SzuperKamiokande és a kanadai SNO – kutatócsoportjai. Sok kutató szerint a neutrínók vizsgálata révén lehet választ kapni a részecskefizika és a kozmológia több megválaszolatlan kérdésére.

Kulcsszavak: neutrínókísérletek, neutrínók átalakulása, fizikai Nobel-díj