A Gólem. Hová lettek a napneutrínók? A Gólem BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Átírás

1 A Gólem Hová lettek a napneutrínók?

2 Miről lesz szó? kérdések és fogalmak Kérdések: Mi történik, ha egy igen összetett elmélet jóslata nem válik be? Fogalmak: Anomália Aluldetermináltság A kísérletek elméletfüggése

3 Miről lesz szó? egy esettanulmány Egy kísérlet, amely a várakozások ellenére nem talált elegendő Napból jövő neutrínót Mi történik ilyenkor? Keressük a hibát! Hol a hiba? a számolásban? a készülékben? a világűrben? a Napban?...pontosabban: a Napról szóló elképzeléseinkben? az elemi kölcsönhatások elméletében? Hogyan keressük, hogyan találjuk meg?

4 A Nap sugarainak forrása Igen sok mindent tudunk a Napról: magfúzió útján termel energiát ennek során a tömegének 75%-át kitevő hidrogént fogyasztja, és héliumot termel ez a folyamat a Nap magjában megy végbe, amelynek sugara nagyjából a csillag rádiuszának negyede a magban több mint 15 millió fok a hőmérséklet Honnan tudjuk mindezt?

5 A Nap sugarainak forrása Van néhány globális adatunk: tömeg kiterjedés összes leadott energia Majdnem minden közvetlen mérési technikánk a Nap felszínéről ad csak információt: hőmérséklet anyagi összetétel A Nap belsejéről elsősorban elméleti modelljeink vannak amelyeknek illeszkedniük kell az általános fizikai ismereteinkhet és a fenti peremfeltételekhez Honnan tudjuk, hogy jók ezek a modellek?

6 A Nap sugarainak forrása A nukleáris reakciók felismerése óta egyre komplexebb csillagfejlődés-elméleteink vannak...

7 A Nap sugarainak forrása...amelyek jól illeszkednek a csillagok megfigyelhető eloszlásaihoz ez az úgynevezett Hertzsprung Russell diagram a Nap útja a diagramon:

8 A Nap sugarainak forrása Mindezeken kívül még egy fontos jóslata van a csillagmodelleknek: az elmélet szerint a fúzió folyamatában óriási mennyiségű neutrínó keletkezik a Nap belsejében, amelyek szinte háborítatlanul ki is jutnak onnan, minden irányban nagyjából egyenletesen, alig kölcsönhatva az anyaggal (bolygónkat is beleértve) Becslések szerint a Föld minden Nap felé néző négyzetcentiméterét 65 milliárd neutrínó szeli át másodpercenként! Bár a neutrínó nagyon-nagyon nehezen, de azért detektálható, és ez az óriási szám a hatvanas évek eszközeivel már mérhető volt

9 Mi az a neutrínó? elektromosan semleges, kizárólag gyengén kölcsönható részecske, nagyon-nagyon kis tömeggel 1930-ban vetette fel Wolfgang Pauli a létezését a radioaktív bomlások során hiányzott némi energia _ n 0 p + + e +??? ν e 1933-ban Enrico Fermi nevezte el, és alkotta meg a bétabomlás (később az ún. gyenge kölcsönhatás ) első elméletét 1956-ban Clyde Cowan és Frederick Reines kísérletileg is megtalálta Reines 40 évvel(!) később, 1995-ben kapott Nobel-díjat 1962-ben kimutatták, hogy több fajtája létezik elektron-, müon- és tau-neutrínó

10 A napneutrínók nyomában Főszereplőnk, Ray Davis Jr. ifjú vegyész korában a Brookhaven Laboratóriumban kifejlesztett egy detektort: egy klóros vizet tartalmazó, neutrínóknak kitett tartályban nagy ritkán történik egy-egy reakció, aminek során egy klóratomból argonatom keletkezik az argont tartalmazó molekulákat ki lehet vonni a tartályból mivel a keletkezett argonatomok radioaktívak, viszonylag könnyen mérhető a mennyiségük Természetesen ez is háborús eredetű ötlet volt... ilyen elven próbáltak nukleáris jelek után kutatni német területek felett

11 A napneutrínók nyomában Sajnos a detektor nem volt jó arra, amire tervezte: atomreaktorok jellemzőinek mérésére az 1954-ben elvégzett kísérlete semmit sem mért a reaktorok közelében, a reaktorban ugyanis (ma már tudjuk) antineutrínók keletkeznek, az ő készüléke pedig azokat nem észlelhette így Cowan és Reines lett az a szerencsés, akik két évvel később, ugyanannál(!) a reaktornál elvégzett hasonló kísérletükért (ami más elemi reakción alapult, és történetesen antineutrínókra volt érzékeny) elnyerték a Nobel-díjat a részecske első kísérleti kimutatásáért Davis kísérlete pedig utólag bizonyíték lett arra, hogy a neutrínónak létezik egy antirészecskepárja is

12 A napneutrínók nyomában Mihez kezdjen akkor a készülékével? William Fowler, az egyik legnevesebb asztrofizikus javasolta Davisnek, hogy eljárását a Napból érkező neutrínók mérésére lehetne használni, és azzal tesztelni lehetne a csillagmodelleket, ott ugyanis valóban rendes neutrínók keletkeznek Fowler egyik tanítványa, John Bahcall, Davis mellé szegődött elméleti fizikusnak 1967-re, évtizedes munkával összeállt a kor léptéke szerint óriási kísérlet

13 A kísérlet tervezése Számos megoldandó probléma akadt: A készüléket a lehető legjobban el kell zárni a kozmikus sugárzás háttérzajától ezért minél mélyebbre kell tenni, lehetőleg egy bányába Minden egyéb argonforrást gondosan ki kell szűrni A jósolt eredmény becsléséhez nagyon sok fizikai elméletet, szakterületet kellett mozgósítani

14 A kísérlet tervezése De mindenekelőtt természetesen pénz kellett! Kb. $ , ami akkori árak mellett elég tetemes, főleg egy olyan kísérletre, ami csak egyetlen mérésre használható! Cikkeket írtak a legjobb lapokba, Fowler minden tekintélyét bevetette, meggyőző levelet írt volt kollégájának, az állami pénzeket osztó Atomenergetikai Bizottság elnökének A korszak tekintélyes részecskefizikusai így is húzódoztak egy drága és nem túl megbízható kísérlet finanszírozásától az ábrán jól látható, hogy Bahcall számításai jóval markánsabb jóslatokat tettek a pályázás éveiben, mint azután!

15 A kísérlet tervezése Végül meglett a szükséges pénz és támogatás, már csak egy megfelelő helyszín kellett: egy év tárgyalás után Davis talált egy bányavállalatot, amelyik beadta a derekát (valószínűleg azért, hogy kedvében járjon a projektet támogató Atomenergetikai Bizottságnak, amely potenciális megrendelő volt a számára...) A Homestake-kísérlet paraméterei: uszodányi, 380 m 3 tisztítófolyadék (tetraklór-etilén), amelyet kölcsönkértek a gyártó cégtől, 1500 méterrel a föld alatt, Dél-Dakotában, a Homestake Mining Co. vállalat egy használaton kívüli aranybányájában A kísérlet 1967 nyarán kezdődött egy hónap akkumuláció után Davis átszűrte a tartályt, megmérte a benne lévő argont, és...

16 Az eredmények...határozottan kevesebbet talált a jósolt eredménynél Fél év gondos ellenőrzés, független szakértői vizsgálat és újrakalibráció után Davis publikálta, hogy a várt események kb. harmada, kevesebb mint napi két átalakuló atom volt megfigyelhető Davis kísérletező tekintélye csorbítatlan maradt, Bahcallt azonban nagyon megviselte az eltérés egy évtized gondosan felépített elméleti épülete forgott veszélyben! Eleinte megpróbálta úgy alakítani a számításokat, hogy közelebb kerüljön a mérésekhez, de ezzel számos kolléga támadásának került a kereszttüzébe Végül Bahcall is elfogadta az eltérést könnyen lehet, hogy Feynman tanácsára, aki szerint egy felfedezett anomália nagyobb dobás, mint egy megerősítő eredmény

17 Az eredmények Ezzel megszületett a hiányzó napneutrínók problémája, ami több mint három évtizedig az asztro- és részecskefizika egyik legfőbb megoldatlan rejtélye maradt A Gólem írásakor még bőven az is volt, Trevor Pinch és Harry Collins nyitottként mutatják be az esetet Ma már a fizikusok egyértelműen megoldottnak látják a problémát, ezért mi itt bemutatjuk ezt a végkifejletet Ez azonban nem csökkenti a szerzők azon meglátását, hogy ez a Nap mélyébe néző kísérlet, és a negatív eredményt követő viták a tudomány mélyébe nyújtanak bepillantást!

18 Megoldások a problémára A jóslat nem teljesülésének elismerése után a figyelem a kísérlet részletei felé fordult Davis eljárását és kalibrációs technikáját egyre kifinomultabb kritikák érték aki viszont ezekre nagyon türelmesen és lelkiismeretesen válaszolt, végrehajtva a kért módosításokat és óvintézkedéseket a negatív eredmények egyre inkább stabilaknak tűntek a 70-es évek végére már mint tudományos hősre, a kísérletező ideáltípusára tekintettek pályatársai A 80-as évek közepétől újabb, független és sokszor más elveken nyugvó kísérletek születnek, kizárva további potenciális hibaforrásokat és elméleti lehetőségeket

19 Megoldások a problémára A kísérletek stabilitását látva pedig a különféle részterületek képviselői egymásra mutogattak Egy asztrofizikus szerint például a keletkezett argon egy része bizonyára csapdázódik egy kémiai folyamat következtében, és ezért nem tudja Davis rendesen megszámolni azokat A legtöbben a Napmodelleket kritizálták: lehet, hogy több benne a nehézfém? Vagy több benne az áramlás? Esetleg korábban ütközött egy nagyobb égitesttel, ami átalakította az összetételét? És mi van, ha a neutrínók útközben elfogynak, átalakulnak valami mássá? Sőt: lehet, hogy nem is hidrogénfúzió folyik a Napban! 1978-ig több mint 400 tudományos cikk született, a legkülönfélébb megoldási javaslatokkal

20 Megoldások a problémára A kilencvenes évek elejére két lehetőségre szűkítették a probléma megoldásait vagy a Nap belső hőmérséklete tér el a modellek által feltételezettől (6% eltérés már illeszkedne az eredményekhez!) vagy pedig egy ismeretlen fizikai mechanizmus lecsökkenti a neutrínók számát az idevezető 150 millió kilométeres út során Az előbbi eshetőséget 1998 körül már elég biztosan ki lehetett zárni a legújabb naprengés -vizsgálatok fényében a Nap felszínén megfigyelhető lökéshullámok nagy pontossággal egyeztek a modell eredményeivel

21 A megoldás Maradt végül a második opció, ahol is egyre inkább kiemelkedett egy konkrét megoldási lehetőség, a neutronoszcilláció jelensége ez annyit tesz, hogy a kibocsátás és az észlelés között a neutrínók egy része más részecskévé (másfajta neutrínókká) alakul, ami a detektorok számára már nem észlelhető Ezt a jelenséget 2001 és 2003 között sikerült a Nap neutrínóitól függetlenül kimutatni, az elméleti jóslatokkal nagy pontossággal egyező mértékben A tudományos közösség ezek után nagyon gyorsan konszenzusra jutott a legújabb kísérletek már ezen folyamat részleteinek a kimérését célozzák

22 Neutrínódetektorok és -kísérletek Homestake Mine, USA HS-Chlorine ( ), Majorana (2011 ) Kamioka, Japán KamiokaNDE I II III ( ), Super-K I II III (1996 ), K2K ( ) KamLAND (2002 ) Baksan-völgy, Oroszország SAGE ( ) Gran Sasso, Olaszország GALLEX ( ), GNO ( ), BOREXINO (2007 ), OPERA (2008 ) Fermilab, USA LSND ( ), DONUT (1997), MINOS (2005 ), MiniBooNE (2002 ), SciBooNE ( ), NOvA (2010 ) Sudbury Neutrino Observatory, Kanada SNO ( ), SNO+ (2011 ) Chooz, Franciaország CHOOZ, Double CHOOZ (2011 ) Daya Bay, Kína Daya Bay Reactor Neutrino Experiment (2011 )

23 Konklúziók Van olyan eset, hogy egy-egy mérés eredménye alátámaszt egy elméletet, azonban soha nem igazolja azt egyértelműen Épp így (a falszifikácionizmus ideáljával szemben) a cáfolat sem egyértelmű, hiszen a cáfolat iránya aluldeterminált: nem tudhatjuk bizonyosan, hogy az elméletnek vagy a kísérletnek higgyünk inkább, illetve melyiknek mely elemét korrigáljuk Ha egy mérés egy elmélet igazolásának vagy cáfolatának is látszik, akkor is még számos emberi tényezőt kell számításba vennünk, hogy megértsük a következményeit, és semmiképpen sem érdemes véglegesnek tekintenünk az eredményeket Fel kell adnunk a döntő kísérlet mítoszát, hiszen jól látszik, hogy az ilyen kísérletek nagyon sokféleképpen értelmezhetők, döntővé nyilvánításuk és népszerűségük pedig számos külső tényezőtől is függ