A neutrínók István Manno April 13, 2011 Abstract A neutrínó a leptonok 1 családjába tartozó elektromosan semleges részecske, a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatásban vesz részt, ezért nagyon nehéz detektálni. A neutrínó már számos esetben meglepte a kutatókat. A neutrínó hipotézis születése sem volt kivétel ezek közül a meglepetések közül. Wolfgang Pauli a neutrínó hipotézist akkor vezette be, amikor egy kétségbeesett kisérletet tett arra, hogy a hosszú időn keresztül igaznak bizonyult energia megmaradásnak a törvényét megmentse a β-bomlásban (1930). A neutrínó olyan gyengén hat kölcsön az anyaggal, hogy a neutrínó hipotézisének születésétől egy negyed évszázadnak kellett eltelni addig, amig Frederick Reines és Clyde L. Cowan Jr. kisérletileg ki tudták mutatni a neutrínó létezését 1956-ban. 1995-ben Frederick Reines Nobel-díjat kapott a neutrínó kisérleti kimutatásáért. Bistos vagyok benne, hogy a neutrínófizika jövője legalább olyan izgalmas és eredményes lesz, mint a múltja Fred Reines - Nobel-előadás. A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Ennek az a magyarázata, hogy az anyaggal csak gyengén hatnak kölcsön. Az anyag alig abszorbeálja őket, az elektromos és mágneses mezők pedig nem hatnak rájuk, így a keletkezési helyüktől egyenes vonalban érkeznek meg a detektorhoz, megőrizve az információt a keletkezésük körülményeiről (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz mutató irány). A neutrínók egyedülálló lehetőséget nyújtanak a tudósoknak arra, hogy bepillantsanak a Földbe, a Napban, a csillagokban és más érdekes égitestekben lejátszódó folyamatokba. A tudósok egyrészt tanulmányozzák a neutrínókat, hogy egyre pontosabban feltárják a neutrínók tulajdonságait, másrészt a neutrínók segítségével egyre újabb ismereteket szereznek a geofizika, az asztrofizika és az asztronómia területén. Könnyen elképzelhető, hogy a legújabb neutrínó-kisérletek alapján ismét új fizikai jelenségek felfedezése előtt állunk. 1 A lepton azoknak a részecskéknek a gyüjtő neve, amelyek nem vesznek részt az erőskölcsönhatásban és fermionok. Fermionnak nevezünk minden olyan részecskét, amelynek az eloszlását a Fermi-Dirac statisztika írja le. Ezeknek a részecskéknek a spinje félegésszám. A lepton görög szó, amely könnyűt jelent. Ez az elnevezés akkor született, amikor az erősen kölcsönható részecskéknél, lényegesen könnyebb olyan részecskéket ismertek, amelyek nem vesznek részt az erőskölcsönhatásban (e,µ). 1
Tartalom A természettudomány fejlődése Részecskék és kölcsönhatások (synopsis) A részecskék és kölcsönhatások standard modellje A négy alapvető kölcsönhatás A standard modell fejlődése Kölcsönhatások A négy alapvető kölcsönhatás Csendes fizika (Undergound Physics) Földalatti laboratóriumok I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Neutrínók A β-bomlás Fermi β-bomlás elmélete A ν e kisérleti kimutatása (1956) A ν µ kisérleti kimutatása (1961-1962) A ν τ kisérleti kimutatása (2000) Neutrínó (synopsis) A leptonszámok megmaradásának törvényei Neutrínó-elméletek A zérus-tömegű kétkomponensű neutrínó A Dirac-féle neutrínó A Majorana-féle neutrínó Neutrínók a Standard Modellben A neutrínó mint kutatási eszköz A csillagászat fejlődése Detektálási technikák Radiokémiai-detektor Cserenkov-detektor 2
Szintillátoros-detektorok Milyen nehéz detektálni a neutrínókat? Hol születnek a neutrínók? A neutrínók osztályozása Neutrínócsillagászat A Nap Mennyi energiát sugároz szét a Nap Mekkora a Nap életkora? Miért nem tudtak a fizukusok jó választ adni a Nap életkorára? Madách Imre: Az ember tragédiája Mitől ragyog a Nap? (Mi okozza a napsütést?) A napneutrínók A napneutrínó-kisérletek A 37 Cl-kisérlet A 37 Cl-kisérlet céltárgya A napneutrínók problémája A napneutrínók új problémája (N. Hata és P. Langacker (1994)) Napneutrínó-problémák Neutrínó-oszcilláció Neutrínó-oszcilláció vákuumban Neutrínó-oszcilláció anyagban Hogyan lehet megoldani a napneutrínók problémáját? Megoldották a napneutrínók problémáját Szupernova (egy csillag haláltusája) Szupernovaneutrínók Kamiokande II. Fizikai Nobel-díj a neutrínó- és röntgencsillagászatért 2002 A kozmikus sugárzás 3
Kozmikus neutrínók Atmoszférikusneutrínók Super Kamiokande (SK) Nagyenergiás csillagászat Nagyenergiájú neutrínó-csillagászat A nagyenergiájú neutrínók detektálása Neutrínó-detektorok vízben és jégben Az IceCube 1 km 3 neutrínó teleszkóp Még nagyobb detektorok Földneutrínók (geoneutrínók) KamLAND Neutrínók a kozmológiában A jövő neutrínó-detektorai Sötét anyag (Dark Matter) Irodalom Történelem Nobel Prizes concerning particle physics Nobel Prizes concerning neutrino physics A neutrínóval kapcsolatos kisérleti és elméleti eredmények Megoldásra váró problémák Mit lehet tanulmányozni a neutrínókkal? Mi hasznunk származik a neutrínó-kisérletektől A neutrínókkal kapcsolatos problémák Példa a keveredésre a leptoncsaládok között Példa arra, hogy a leptonszám nem marad meg egy leptoncsaládon belül Neutrínó-nélküli kettős β-bomlás Neutrínók a kozmológiában Glossary Jegyzetek 4
Physicists Transparencies Photo album Stories Notes Figures 5
A természettudomány fejlődése A természettudomány történetét tanulmányozva arra a felismerésre juthatunk, hogy a tudósok, kutatók igyekeznek megérteni a világot amelyben élnek. Probálják megérteni az anyagi világ szerkezetét és azt, hogy a különböző jelenségeket milyen törvények írják le. Az egyes jelenségek leírására egyre tökéletesebb elméleteket készítenek, amelyek egyre tökéletesebb leírást adnak a jelenségekről és magukban foglalják azt is, amit a korábbi elméletek már helyesen írtak le. Például Einsteinféle relativisztikus mechanika magábafoglalja Newton-féle mechanikát, amely a kis sebességgel mozgó testek mozgását írja le. Az Einstein-féle relativisztikus mechanika jó leírást ad a kis sebességgel mozgó testekről és azoknak a testeknek a mozgásáról is, amelyek a fénysebességhez közeli sebességgel mozognak. A Newton-féle mechanika a fénysebességhez közeli sebességgel mozgó testek mozgásáról már nem ad jó leírást. Előfordulnak természetesen hibás elméletek is, mint Ptolemáiosz geocentrikus világrendszere. Ma már tudjuk, hogy a Föld nem a világ közepe és a bolygók a Nap körül keringenek. A Nap sem a világ közepe mivel a galaxisunknak, a Tejútnak inkább a szélén található mint a közepén és a galaxisunk is csak egy galaxis a sok közül. Thales, Miletus, 600BC, egy elsődleges anyagból ( primary matter ), amelynek a vizet választotta, Empedocles, 400BC négy elemből (föld, víz, levegő és tűz) építette fel a világot. Arisztotelész átvette ezt az elképzelést. Platon szabályos testeket rendelt ezekhez az elemekhez. Democritus bevezette az atom és az üres tér fogalmát. A XVIII. század végén a szentpétervári egyetem professzora Dimitri Ivanovich Mengyelejev a kémiai elemeket az atomsúlyuk és a kémiai tulajdonságaik alapján táblázatba rendezte (Ekkor 63 kémiai elemet ismertek). Így jött létre a kémiai elemek periódusos rendszere. A természetben 92 féle különböző tulajdonságú kémiai elem (atom) létezik, amelyekből felépíthetők a molekulák, a molekulákból pedig az élettelen és élő világ. Az atomfizika fejlődésével felismerték, hogy a kémiai elemek atomokból állnak. Az egyes kémiai elemeket az különbözteti meg egymástól, hogy az atommagjukban hány proton és neutron található, illetve, hogy az atom elektronburka hány elektronból épül fel. A kvarkmodell alapján a protonok és neutronok is alkotóelemekből (up és down kvarkokból) állnak (p=uud, n=udd). Az egyes elméletek számos esetben megjósólnak az elmélet születésekor nem ismert dolgokat. Newton gravitációs elmélete alapján az Uránusz bolygó mozgásából megjósolták a Neptunusz bolygót. Azért, hogy a hasonló tulajdonságú kémiai elemek a táblázatban egymás alá ugyanabba az oszlopba kerüljenek, Mengyelejevnek üres helyeket kellett hagynia a táblázatában. A periódusos rendszerben talált üres helyek alapján megjósolták az addig nem ismert kémiai elemek tulajdonságait (példák erre a Sc Szkandium, a Ga Gallium, a Ge Germánium). Maxwell egyenletei, amelyek az elektromágnesség elméletévé egyesítették az elektromosság és a mágnesség elméletét, megjósolták az elektromágneses hullámokat. A kvarkmodell alapján megjósolták az addig nem ismert Ω részecskét. Az SM segítségével meg lehetett jósolni, az addig nem ismert kvarkokat (b,t) és leptonokat (τ,ν τ ). 6
Részecskék és kölcsönhatások (synopsis) Az atom atommagból és az azt körülvevő elektronokból (e ) áll. Az elektronok elektronfelhőt képeznek az atommag körül. Az atommag protonokból (p) és neutronokból (n), a protonok és neutronok pedig két kvarkból, az up (u) és down (d) kvarkokból épülnek fel (p = uud és n = udd). A természetben négy alapvető kölcsönhatást találunk, az erős-, az elektromágneses-, a gyenge- és a gravitációskölcsönhatást. A gravitációs vonzás bármely két részecske között létezik. A gravitációs kölcsönhatás olyan kis távolságokon mint az atom mérete a többi kölcsönhatáshoz képest elhanyagolható. Nagy távolságokon azonban a gravitáció döntő szerepet játszik. A gravitáció fontos szerepet játszik, például, a csillagok és galaxisok kialakulásánál és fejlődésénél. Az elektromágneses erő köti az elektronokat az atommaghoz. A molekulákban töltött részecskék (elektronok, protonok) vannak. A molekuláknak ez az elektromos szubstruktúrája az alapja annak, hogy kristályok jönnek létre. Nagyon sok hétköznapi jelenség mögött az elektromágneses erők fedezhetők fel. Az anyagban az elektromágneses erők akadályozzák, hogy az egyes molekulák elmozdúljanak az egyensúlyi helyzetükből. Ennek a következménye, hogy a padló megtartja a ráhelyezett testeket, a szilárd anyagok ellenállnak a nyíró hatásoknak stb. Az erős és gyenge erőhatások hatótávolsága olyan rövid, hogy az atomoknál nagyobb távolságokon gyakorlatilag nem érzékelhetők. Így nem érzékeljük őket a mindennapi életben, azonban alapvető szerepet játszanak a környezetünkben található anyag felépítésében és a bomlási folyamatokban. A proton vonza az elektront, ez példa az elektromágneses kölcsönhatásra, a kvarkok között ható erő példa az erős kölcsönhatásra, a β-bomlás pedig példa a gyengekölcsönhatásra. A szabad neutron elbomlik n pe ν e, ahol a ν e az antielektronneutrínót jelöli. Ezt a fajta bomlást β-bomlásnak nevezik. Ennek a bomlásnak az alapja a neutron d kvakjának a bomlása d ue ν e. (A gyengekölcsönhatás az egyetlen kölcsönhatás, amelyben egy kvark átalakulhat mástípusú kvarkká és egy lepton mástípusú leptonná.) A gyenge kölcsönhatás a felelős azért, hogy a körülöttünk található anyag u és d kvarkból és elektronból épül fel. Az alapvető kölcsönhatásokat megfelelő erőmezőkkel írják le. Ezeknek a mezőknek a gerjesztéseit alapvető bozonoknak nevezik (Ezek a kölcsönhatás közvetítő részecskéi). A természetben található erőhatások a részecskék közötti kölcsönhatásokra vezethetők vissza. A részecskék közötti kölcsönhatásokban fellépő erőket az elmélet ún. közvetítő részecskékkel (az ún. fundamentális bozonokkal) írja le. Az elektromágneses erő közvetítő részecskéje a foton, amelyet az energiájától függetlenül γ-val jelölnek. A fotonok az energiájuktól függően részecskéi lehetnek a rádióhullámoknak, az infravörös sugárzásnak, a látható fénynek, az ultraibolya sugárzásnak stb. Az erős kölcsönhatásnak nyolc közvetítő részecskéje van. A protonokban és neutronokban található kvarkokat olyan hatásossan ragasztják össze az erős kölcsönhatás közvetítő részecskéi, hogy ezért gluonnak nevezték el őket (a gluon angol szó ragasztót jelent). A gyengekölcsönhatás közvetítő részecskéi a W +, W és Z 0 bozonok, a gravitációsnak pedig a graviton. Egy kölcsönhatás folyamán a részecskék elnyelik, vagy kibocsátják a kölcsönhatás 7
közvetítő részecskéit. Ezzel a folyamattal az egyik részecske töltést, impulzust, energiát tud átadni a másik részecskének. (Képzejünk el két csónakot. Mindegyik csónakban egy gyerek van. A két gyerek labdázik egymással. Amikor az egyik gyerek elkapja a labdát, amit a másik dobott neki, akkor nem csak a labdát kapja el, hanem ezzel együtt impulzust is kap. Így a csónakok távolodni fognak egymástól.) A különböző kölcsönhatások (erős-, elektromágneses- és gyengekölcsönhatások) különböző csatolási állandókkal rendelkeznek. A csatolási állandók jellemzik a kölcsönhatások erősségét. A részecskefizikai kisérletek eredményei alapján a csatolási állandók függnek az energiától. Az energia növekedésével ezek az állandók közelítenek egymáshoz és egy megadott energia értéknél ( 10 15 GeV) találkoznak egymással. Ennél nagyobb energiákon a négy alapvető kölcsönhatás egy egységes kölcsönhatást képez. Megfordítva az Univerzum keletkezése után, ahogy a nagyon meleg Univerzum hült, úgy váltak ki az egyes kölcsönhatások az egységes kölcsönhatásból. Az elektron (e) és az elektronneutrínó (ν e ) mellett létezik még két hasonló részecskepár a µ, ν µ és a τ, ν τ. A részecskék többségének van antirészecskéje, amelynek a tömege ugyanolyan nagy mint a részecskéjé, a töltéseinek az abszolútértéke is ugyanolyan nagyságú, mint a részecskéjé, az előjele viszont ellentetje a részecske töltése előjelének. 8
A részecskék és kölcsönhatások standard modellje A standard modell építőelemei Particles Generation I. Generation II. Generation III. Quarks Up u Charm c Top t q=+2/3 q=+2/3 q=+2/3 m=3 MeV/c 2 m=1500 MeV/c 2 m=175000 MeV/c 2 Down d Strange s Bottom b q=-1/3 q=-1/3 q=-1/3 m=6 MeV/c 2 m=170 MeV/c 2 m=4500 MeV/c 2 Leptons Electron e Muon µ Tau τ q=-1 q=-1 q=-1 m=0.511 MeV/c 2 m=105 MeV/c 2 m=1782 MeV/c 2 Electron Neutrino ν e Muon Neutrino ν µ Tau Neutrino ν τ q=0 q=0 q=0 m < 15 ev/c 2 m < 0.17 MeV/c 2 m < 18.2 MeV/c 2 Antiparticles ū c t d s b e + µ + τ + ν e ν µ ν τ A tudomány történetét tanulmányozva arra a felismerésre juthatunk, hogy a tudósok igyekeznek megérteni a világot amelyben élnek. Probálják megérteni a különböző jelenségeket és az anyagi világ szerkezetét. Thales, Miletus, 600BC, egy elsődleges anyagból ( primary matter ), amelynek a vizet választotta, Empedocles, 400BC négy elemből (föld, víz, levegő és tűz) építette fel a világot. Arisztotelész átvette ezt az elképzelést. Platon szabályos testeket rendelt ezekhez az elemekhez. Democritus bevezette az atom és az üres tér fogalmát. A XVIII. század végén a szentpétervári egyetem professzora Dimitri Ivanovich Mengyelejev a kémiai elemeket súlyuk és kémiai tulajdonságaik alapján táblázatba rendezte. Így jött létre a kémiai elemek periódusos rendszere. A táblázatban azonos tulajdonságú kémiai elemek meghatározott periódusonként ismétlődtek. Azért, hogy a hasonló kémiai tulajdonságú kémiai elemek egymás alá ugyanabba az oszlopba kerüljenek Mengyelejevnek meghatározott helyeket üresen kellet hagynia a táblázatban. Rövid időn belül megtalálták a táblázatban hiányzó elemeket (pl. Sc szkandium, Ge germánium, Ga gallium stb.) A temészetben 92 féle különböző kémiai elem (atom) található, amelyből felépíthetők a molekulák, a molekulákból 9
pedig az élettelen és az élő világ. Az atomfizika fejlődésével felismerték, hogy az anyagok atomokból állnak. Az atom atommagból és az azt körülvevő elektronokból (e ) áll. Az elektronok elektronfelhőt képeznek az atommag körül. Az atommag protonokból (p) és neutronokból (n) épül fel. A protonok és neutronok is alkotóelemekből, u és d kvarkokból épülnek fel (p = uud és n = udd). Az egyes kémiai elemeket az különbözteti meg egymástól, hogy az atommagjukban hány proton és neutron található, illetve, hogy az atom elektronburkát hány elektron képezi. Az részecskék és alapvető kölcsönhatások standard modellje (Standard Model of particles and fundamental interactions SM) meghatározza az anyag legalapvetőbb építőelemeit (ezek között találjuk a neutrínókat is). Leírja az összes lehetséges módot, ahogy az építőelemek egymással kölcsönhatnak és ahogy egymásba átalakulnak. Az SM tizenkét részecskét (6 quarkot és 6 leptont) és ezek antirészecskéit és a közöttük fellépő négy alapvető kölcsönhatást (erős, elektromágneses, gyenge és gravitációs) használja a körülöttünk található Univerzum leírására. A világmindenség eddig feltérképezett valamennyi részén ezeket az építőelemeket és ezeket a kölcsönhatásokat találjuk. A quarkoknak tört elektromos töltésük van és főleg az erős kölcsönhatásban vesznek részt. Az erőskölcsönhatás, amelyet szinerőnek is neveznek, köti össze a kvarkokat a protonokban, a neutronokban, a hadronokban (erősen kölcsönható részecskék), valamint a protonokat és neutronokat az atommagokban. Az elektromos töltéssel rendelkező leptonok három alapvető kölcsönhatásban vesznek részt (az elektromágneses, a gyenge és a gravitációs kölcsönhatásban), de nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban. Az elektromosan töltött leptonok közé tartozik az elektron (e ) és a hozzá hasonló, de a nála nehezebb müon (µ ) és tau (τ ). Minden töltött leptonhoz tartozik egy semleges lepton, egy neutrínó, az elektronhoz az elektronneutrínó (ν e ), a müonhoz a müonneutrínó (ν µ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ν τ ). 1964-ben Murray Gell-Mann és George Zweig bevezeti a hadronok kvarkmodelljét. Három kvark, az up (u), a down (d) és a strange (s) kvarkból épitik fel a protont, a neutront és más erősen kölcsönható részecskéket, hadronokat. Glashow, Iliopoulis és Maiani (GIM) 1970-ben azt állították, hogy a kvarkok párokban léteznek, az addig ismert három kvark (u, d, s) mellett kell léteznie egy negyedik kvarknak is. Hamarosan megtalálták a c kvarkot. Két japán elméleti fizikus Makoto Kobayashi és Toshilde Maskawa, arra a következtetésre jutott, hogy a K 0 mezonok bomlásánál a CP-sértést az SM keretein belül egy új kvark-lepton család bevezetésével meg lehet magyarázni. A b és t kvarkokat is megtalálták így meglett a három kvark-lepton család. A CERN-ben a LEP-pel bebizonyították, hogy három és csak három könnyű kvark-lepton család létezik. Minél nagyobb tömegű egy részecske, annál többféle módon bomolhat, egy-egy konkrét bomlásfajta tehát annál ritkább, ezért igen sok bomló részecske kell ahhoz, hogy a kutatók minden bomlásból elég sokat észlelhessenek és vizsgálhassanak. A Z 0 élettartamát a tömeg bizonytalanságával mérjük. Heisenberg szabályáról van szó. A mérés nem adja mindig ugyanazt a tömeget. A 91.175 GeV/c 2 éték, az egy átlagos érték. A Z 0 tömegeloszlása határozatlansággal rendelkezik (2.5 GeV/c 2 ). Egy bomlási mód, adott értékkel csökkenti az élettartamot és ezzel növeli a tömegeloszlás szélességét. Ha létezik 10
egy negyedik család, akkor az eloszlásnak más szélessége van, mint három család esetében. A kémiai elemek keletkezési viszonyait tanulmányozták a világ kezdeti időszakában, akkor amikor a protonok és a neutronok összeálltak atommagokká. Ez nem sokkal az ősrobbanás után történt, de annyival már később, hogy legyen elég biztos modelljük. Mint kiderült, ekkor keletkezett a hidrogén és hélium aránya attól is függ, hogy hányféle neutrínó vett részt a megfelelő reakcióban. Ezt az arányt vissza lehet következtetni, a mostani arányból, amit meg is tettek, az eredmény egyértelműen három neutrínó fajta, nem több. A természetben négy alapvető kölcsönhatást találunk, az erős, az elektromágneses, a gyenge és a gravitációs kölcsönhatást. A gravitációs vonzás bármely két részecske között létezik. A gravitáció tart bennünket a Földön és a bolygókat a pályáikon stb. A gravitációs kölcsönhatás olyan kis távolságokon mint az atom mérete a többi kölcsönhatáshoz képest elhanyagolható. Nagy távolságokon azonban a gravitáció döntő szerepet játszik. A gravitáció fontos szerepet játszik például a csillagok és galaxisok kialakulásánál és fejlődésénél. Az elektromágneses erő tarja össze az atomokat, köti az elektronokat az atommaghoz. Fontos szerepet játszik a kémiai reakciókban. A molekulákban töltött részecskék (elektronok és protonok) vannak. A molekuláknak ez az elektromos szubstruktúrája az alapja annak, hogy kristályok jönnek létre. Nagyon sok hétköznapi jelenség mögött az elektromágneses erők fedezhetők fel: az anyagban az elektromágneses erők akadályozzák, hogy az egyes molekulák elmozdúljanak az egyensúlyi helyzetükből. Ennek a következménye, hogy a padló megtartja a ráhelyezett testeket, a szilárd anyagok ellenállnak a nyíró hatásoknak stb. Az erős és gyenge erőhatások hatótávolsága olyan rövid, hogy az atomoknál nagyobb távolságokon gyakorlatilag nem érzékelhetők. Így nem érzékeljük őket a mindennapi életben, azonban alapvető szerepet játszanak a környezetünkben található anyag felépítésében és a bomlási folyamatokban. A proton vonzza az elektront, ez példa az elektromágneses kölcsönhatásra, a kvarkok között ható erő példa az erős kölcsönhatásra, a β-bomlás pedig példa a gyenge kölcsönhatásra. A szabad neutron elbomlik n pe ν e, ahol a ν e az antielektronneutrínót jelöli. Ezt a fajta bomlást β-bomlásnak nevezik. Ennek a bomlásnak az alapja a neutron d kvakjának a bomlása d ue ν e. (A gyenge kölcsönhatás az egyetlen kölcsönhatás, amelyben egy kvark átalakulhat mástípusú kvarkká és egy lepton mástípusú leptonná.) A gyenge kölcsönhatás a felelős azért, hogy a körülöttünk található anyag u és d kvarkból és elektronból épül fel. A természetben található erőhatások a részecskék közötti kölcsönhatásokra vezethetők vissza. Az alapvető kölcsönhatásokat, a megfelelő erők mezejével írják le. Ezeknek a mezőknek a gerjesztéseit (kvantumait) fundamentális bozonoknak nevezik. A részecskék közötti kölcsönhatásokat az elmélet úgynevezett közvetítő részecskékkel (az ún. fundamentális bozonokkal) írja le. Az elektromágneses erő közvetítő részecskéje a foton, amelyet az energiájától függetlenül γ-val jelölnek. A fotonok az energiájuktól függően részecskéi lehetnek a rádióhullámoknak, az infravörös sugárzásnak, a látható fénynek, az ultraibolya sugárzásnak. Az erős kölcsönhatásnak nyolc közvetítő részecskéje van. A protonokban és neutronokban található kvarkokat olyan hatásossan ragasztják össze az erős kölcsönhatás közvetítő részecskéi, hogy ezért gluonnak nevezték el őket (a gluon angol szó 11
ragasztót jelent). A gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi a W +, W és Z 0 bozonok, a gravitációsnak pedig a graviton. Egy kölcsönhatás folyamán a részecskék elnyelik, vagy kibocsátják a kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Ezzel a folyamattal az egyik részecske töltést, impulzust, energiát tud átadni a másik részecskének. (Képzeljünk el két csónakot. Mindegyik csónakban egy gyerek van. A két gyerek labdázik egymással. Amikor az egyik gyerek elkapja a labdát amit a másik dobott neki, akkor ezzel együtt impulzust is kap. Így a csónakok távolodni fognak egymástól. A gyengekölcsönhatás 10 8 -szor lassabban megy végbe, mint az elektromágneseskölcsönhatás. A bomlásidők a különböző kölcsönhatások esetében: gyenge 10 8 sec; elektromágneses 10 16 sec; erős 10 23 sec. A különböző kölcsönhatások (erős, elektromágneses és gyenge kölcsönhatások) különböző csatolási állandókkal rendelkeznek. A csatolási állandók jellemzik a kölcsönhatások erősségét. A részecskefizikai kisérletek eredményei alapján a csatolási állandók függnek az energiától. Az energia növekedésével ezek az állandók közelítenek egymáshoz és egy megadott energia értéknél ( 10 15 GeV) találkoznak egymással. Ennél nagyobb energiákon a négy alapvető kölcsönhatás egy egységes kölcsönhatást képez. Megfordítva az Univerzum keletkezése után, ahogy a nagyon meleg Univerzum hült, úgy váltak ki az egyes kölcsönhatások az egységes kölcsönhatásból. A standard modell négy alapvető kölcsönhatása Kölcsönhatás relatív potenciál élettartam közvetítő m erősség (s) bozon (GeV/c 2 ) Erős 1 r 10 23 8 gluon 0 pπ Elektromágneses 10 2 1 r 10 20 10 16 foton 0 π 0 γγ Gyenge 10 7 1 r e r/r > 10 12 W ± 80 R h M W π µ ν Z 0 90 c Gravitációs 10 40 1 r graviton 0 A jelenlegi tudásunk szerint a világmindenségről a legjobb leírást a részecskék és az alapvető kölcsönhatások ún. standard modellje (Standard Model of particles and fundamental interactions SM) adja. Az SM az anyag néhány építőelemének (hat kvark és hat lepton, valamint ezek antirészecskéi) és a köztük létrejövő négy alapvető kölcsönhatás segítségével írja le a világmindenséget, amelyben élünk. Az SM leírja azt, ahogy a részecskék egymással kölcsönhatnak és ahogy egymásba átalakulnak. Ezek a kölcsönhatások és építőelemek elegendőek valamennyi eddig felfedezett jelenség leírására. 12
Az SM következes leírást ad a fiatal és nagyon forró Univerzumtól kiindulva, amely a Big Bangben (ősrobbanás) keletkezett, az Univerzum jelenlegi állapotáig. A parányi méretektől, a részecskék mikrovilágától, amelyet nagy részecskegyorsítókkal lehet tanulmányozni a hatalmas méretekig, a legjobb távcsövekkel vizsgálható égitestek világáig. Az SM jóslatait számos kisérlettel ellenőrizték. Valamennyi kisérlet igazolta, hogy az SM helyesen írja le az anyagi világot és annak jelenségeit. Ennek ellenére már a modell elkészítésekor sokakban felvetődött az a gondolat, hogy ennél a modellnél kell, hogy létezzen egy jobb elmélet, amely még tökéletesebben és kevesebb szabad paraméter segítségével fog leírást adni a környezetünkről. Az SM nem ad választ számos kérdésre. Ilyen kérdések a következők: Honnan van a részecskéknek tömegük? Miért különböznek a részecskék tömegei? Van-e a kvarkoknak és a leptonoknak szerkezetük? A jelenleg ismert erők egy ugyanazon dolognak a különböző megjelenési formái? Léteznek-e más részecskék és kölcsönhatások az LHC segítségével elérhető energiákon? Miért nem észleljük az antianyagot az Univerzumban? Miből áll az Univerzum sötét anyaga? Ma szemtanúi vagyunk olyan kisérleteknek, amelyek azt sugalják, hogy vannak olyan jelenségek, amelyek túlmutatnak standard modellen. 13
A standard modell fejlődése 1897, J.J.Thomson, elektron (e ) 1936, müon (µ) 1956, ν e 1962, ν µ 1964, Gell-Mann és Zweig: kvark-hipotézis, up (u), down (d) és strange (s) kvarkok, amelyb felépíthetők a proton, a neutron és más erősen kölcsönható részecskék (hadronok). 1970, Glashow, Iliopoulis és Maiani (GIM) azt állították, hogy a kvarkok párokban léteznek. 1974, SPEAR, SLAC (Stanford) és Brookhaven AGS (J/ψ = c c). 1975, tau (τ) 1977, Fermilab, bottom (Υ = b b) 1994, Fermilab, top (t) 2000, ν τ 2000, CERN, LEP, három és csak három könnyű kvark-lepton család létezik. 14
Kölcsönhatások A standard modell belső (helyi) szimmetriái definiálják a kvarkok és leptonok töltéseit és kölcsönhatásait, hasonlóan ahhoz, ahogy a kocka szimmetriája magába foglalja azt, hogy a kockának 6 oldala és nyolc csúcsa van és hogy számos forgatás létezik, amely felcseréli a kocka oldalait és csúcsait. A standard modellben a helyi szimmetriák következménye: A kvarkok és leptonok elkülönült családokra oszlanak. Meghatározott töltésekkel rendelkeznek. Léteznek olyan transzformációk, amelyek következtében valamely család valamelyik tagja átalakul ugyanannak a családnak egy másik tagjává. Ezek a helyi szimmetriák magukban foglalják azt, hogy léteznek olyan részecskék, bozonok, amelyek a kölcsönhatást közvetítik. A részecskék között a kölcsönhatások ún. közvetítő részecskékkel valósulnak meg. Egy részecske emittál, kibocsát egy közvetítő részecskét, a másik pedig abszorbeálja, elnyeli azt. Így két részecske a közvetítő részecske segítségével hat egymásra. Így a távolhatást a részecskék átadása váltja fel. Egy kvark vagy lepton kibocsát egy közvetítő részecskét, egy másik pedig elnyeli ezt a közvetítő részecskét. A közvetítő részecske töltést, impulzust stb. tud közvetíteni az egyik részecskétől a másikhoz. Így ennek a részecskének a cseréje következtében a kvarkok vagy leptonok érzik egymás hatását. Továbbá ezeknek a részecskéknek a cseréjekor egy belső forgatás jön létre, amely a kvarkot vagy leptont átváltoztatja egy másik kvarkká vagy leptonná. Az elektromágneses kölcsönhatás Az elektromágneses kölcsönhatás közvetítő részecskéje a foton. Két elektromosan töltött részecske közül az egyik kibocsát egy fotont a másik pedig elnyeli azt és a két elektromosan töltött részecske érzi egymás hatását. Így a távolhatást a részecskék cseréje váltja fel. Minden elektromágneses folyamatban egy kölcsönhatási vertexet találunk. 1) Ez a vertex leírja azt, ahogy például egy elektron kibocsát, vagy elnyel egy fotont. 2) Ez a vertex leírja azt, ahogy egy foton részecske antirészecske párrá alakul, vagy ahogy 3) egy részecske antirészecske pár fotonokká alakul (annihilálódik). Két elektron szóródása esetén az egyik elektron kibocsát egy fotont a másik pedig elnyeli azt. Ennek a folyamatnak a következményeképpen a két elektron taszítja egymást. Így a távolhatást a részecskék cseréje váltja fel. Az elektromágneses kölcsönhatásban két elektron, vagy két elektromosan töltött részecske foton átadásával lép egymással kölcsönhatásba. Az egyik részecske kibocsátja a másik pedig abszorbeálja a közvetítő részecskét. Az elméletet, amely leírja az elektronok és fotonok kölcsönhatását kvantum-elektrodinamikának nevezik (Quantum Electrodynamics QED). 15
Az erős kölcsönhatás Az erős kölcsönhatást 8 gluon közvetíti. Három különböző színű kvark létezik (piros, zöld és kék). Ezeknek a szineknek nincs közük az optikai szinekhez, csupán különböző kvarkok megkülönböztetésére szolgálnak. Az elméletet, amely leírja a kvarkok és gluonok kölcsönhatásait, kvantum-kromodinamikának, színdinamikának (Quantum Chromodynamics QCD) nevezik. A gyenge kölcsönhatás A csillagok energiatermelésében a fúzió játszik fontos szerepet, amelynek során hidrogénből hélium keletkezik. Ebben a folyamatban keletkeznek az alacsony rendszámú elemek is. Ezekben a reakciókban fontos szerepet játszik a gyengekölcsönhatás. A gyengekölcsönhatás az egyetlen kölcsönhatás, amelyben egy kvark átalakulhat más típusú kvarkká és egy lepton más típusú leptonná. Az SM szerint a gyenge kölcsönhatásnak két helyi mértékszimmetriája van. Ez a két szimmetria két gyenge töltést határoz meg a gyenge izotoptöltést és a gyenge hipertöltést. Így a gyenge kölcsönhatásnak két különböző fajta közvetítő részecskéi vannak a W +, W részecskék és a Z 0 részecske. A W ± közvetítő részecske egységnyi elektromos és egységnyi gyenge izotóp töltést hordoz. A Z 0 közvetítő részeszecske egységnyi gyenge hipertöltést hordoz és nem hordoz elektromos töltést. A W + és W bozonok közvetítésével mennek végbe a töltött áram által megvalósuló reakciók: n p + e + ν e n β-bomlás, µ ν µ + e + ν e µ β-bomlás, a Z 0 bozon közvetítésével mennek végbe a semleges áram által megvalósuló reakciók: ν e + e ν e + e. Az elektronneutrínó és az elektron szóródása A töltött áram közvetítésével ν e + e e + ν e, e W + ν e ν e + W e kibocsátás elnyelés Ebben az esetben a reakcióban résztvevő mindkét részecske más részecskévé, az elektronneutrínó elektronná, az elektron pedig elektronneutrínóvá alakul, de a reakcióban ugyanolyan részecskék keletkeznek, mint amelyek reakcióba léptek egymással. A semleges áram közvetítésével ν e + e ν e + e, e e + Z 0 ν e + Z 0 ν e kibocsátás elnyelés Itt a részecskék nem változtatják meg identitásukat. 16
A négy alapvető kölcsönhatás A természetben négy alapvető kölcsönhatást ismerünk: a gravitációs-, az elektromágneses-, az erős- és a gyengekölcsönhatást. A gravitáció tart bennünket a Földön és a bolygókat a pályáikon. A gravitációs vonzás bármely két részecske között létezik. A gravitáció olyan kis távolságokon, mint az atom mérete a többi kölcsönhatáshoz képest elhanyagolható. Nagy távolságokon azonban a gravitáció döntő szerepet játszik. Fontos szerepet játszik a csillagok és galaxisok kialakilásánál és fejlődésénél. Az elektromágneses erő tartja össze az atomokat, köti az elektronokat az atommaghoz. A molekulákban elektromosan töltött részecskék (protonok és elektronok) vannak. A molekuláknak ez az elektromos szubstruktúrája az alapja annak, hogy kristályok jönnek létre. Az elektromágneseskölcsönhatás fontos szerepet játszik a kémiai reakciókban. Nagyon sok hétköznapi jelenség mögött az elektromágneses erők fedezhetők fel. Az anyagban elektromágneses erők akadályozzák, hogy az egyes molekulák elmozduljanak egyensúlyi helyzetükből. Ennek következménye, hogy a padló megtartja a ráhelyezett testeket, a szilárd anyagok ellenálnak a nyíró hatásoknak stb. Az erőskölcsönhatás, amelyet szinerőnek is neveznek, köti össze a kvarkokat a protonokban, a neutronokban és más erősen kölcsönható részecskékben a hadronokban, valamint a protonokat és neutronokat az atommagokban. A gyengekölcsönhatás fontos szerepet játszik a bomlási folyamatokban, neki köszönhetjük, hogy a Nap süt és hogy a Földön kialakult az élet. A csillagok energiatermelésében a fúzió játszik szerepet, amely során hidrogénből hélium keletkezik. Ebben a folyamatban keletkeznek az alacsony rendszámú elemek is. Ezekben a reakciókban fontos szerepet játszik a gyengekölcsönhatás, amelyben egy kvark átváltozhat egy más típusú kvarkká és egy lepton más típusú leptonná. A részecskék között a négy alapvető kölcsönhatás ún. közvetítőrészecskék segítségével megy végbe. A részecskék a közvetítőrészecskék segítségével inpulzust, elektromos töltést, gyenge töltést stb. tudnak átadni egymásnak. A makroszkópikus testek kölcsönhatása visszavezethető a részecskék kölcsönhatására. 17
Csendes fizika (Underground Physics) Hiba lenne azt gondolni, hogy az érdekes részecskefizikai-kisérleteket a jövőben csak nagy részecskegyorsítók mellett fogják végezni. Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés kiséri az ún. csendes fizikát, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkező laboratóriumokban végeznek. Számos olyan esemény van a részecskefizikában, amely nagyon ritkán következik be. Ahhoz, hogy ezeket az eseményeket tanulmányozni tudjuk, a háttéresemények 2 bekövetkezését megadott érték alá kell csökkenteni. A kozmikus sugárzás és a természetes rádióaktivitás háttéreseményeket okoznak. A kozmikus sugárzás ellen vastag anyagréteggel lehet védekezni. Ezért helyezik ezeket a mérőberendezéseket mélyen a föld alá, vagy a tengerek, vagy oceánok mélyére. A földalatti laboratóriumokban a kozmikus sugárzás töredéke a Föld felszínén mért értéknek, a földalatti laboratoriumokban kozmikus csend uralkodik. A földalatti laboratóriumokban és a detektorokban a rádióaktivítás szempontjából nagyon tiszta anyagokat használnak azért, hogy a természetes rádióaktivitás ne zavarja a méréseket. A csendes fizika a fizikának egy viszonylag fiatal ága, amely csupán néhány évtizedes múltra tekinthet vissza. Vannak olyan problémák, amelyeket gyorsítós kisérletekkel lehetne tanulmányozni, azonban a jelenlegi gyorsítók méreteiből kiindulva olyan nagy gyorsítót kellene építeni, amelynek kerülete nagyobb lenne a Föld egyenlítőjénél. Ilyen gyorsító megépítésére nyilvánvalóan nincs mód. Lehet, hogy az Univerzum születésekor a Big Bangben keletkeztek és még ma is léteznek egzotikus részecskék mivel elkerülték azt, hogy a keletkezésük után találkozva antirészecskéjükkel annihilálódjanak. Ilyen esetben azt tehetjük, hogy építünk egy detektort és várjuk, hogy a részecske áthaladjon a detektoron. A csendes fizika szerteágazó kisérleti programmal rendelkezik. Többek között a következő problémákat tanulmányozza: A proton stabilitását. A neutrínókat. A neutrínó-oszcillációt. A napneutrínókat. A szupernovákat. A sötét anyagot (dark matter). Egzotikus részecskéket (mágneses monopólus, szuperszimmetrikus részecskék, stb.) Kettős β-bomlást Atmoszférikusneutrínókat Az utóbbi időben egyre több földalatti kisérlet használja a távoli gyorsítókkal gyártott neutrínókat. 2 A háttéresemény a tanulmányozni kivánt eseményhez hasonló nyomot hoz létre a detektorban. 18
A fontosabb földalatti laboratóriumok Laboratórium Ország Védelem (m) m.w.e. LNGS Olaszország 1494 3800 SNO Canada 2073 5900 Kamiokande Japán 1000 2700 Sudan USA 800 2090 Frejus 4800 Baksan S.U. 4700 Homestake USA 1500 4200 m.w.e. = meters in water equivalent I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Magasság 20 m Hosszúság 100 m Szélesség 18 m Térfogat 180 000 m 3 Védelem (1494 m szikla) Müonok 3800 m.w.e. 1µ/(hm 2 ) (6 nagyságrend) Földalatti laboratóriumok I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Mint ismeretes Olaszország kitűnő autópályahálózattal rendelkezik. Autópálya halad végig mindenütt a csizma szélén és a tengerparton haladó autópályákat többször autópályák kötik össze. Az 1980-as évek elején épült meg az az autópálya, amely Rómát köti össze Terámóval. Ez az autópálya áthalad egy 10.4 km hosszú kettős alagútban az Appenninek legmagasabb csúcsai alatt, amelyet Gran Sasso d Italia-nak neveznek. Antonio Zichichi, aki az alagút tervezésekor az INFN (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare) elnöke volt, azt javasolta, hogy építsenek itt egy földalatti laboratóriumot (1979). Az Olasz Parmament 1982-ben hagyta jóvá a laboratórium építését, amely 1987-ben fejeződött be. Így jött létre a világ legkorszerűbb földalatti laboratóriuma az Appenninek legmagasabb csúcsai alatt. Ennek a laboratóriumnak a neve: Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Ebben a laboratóriumban a müonok fluxusa hat nagyságrenddel kisebb, mint a Föld felszínén. A laboratórium 3 teremből áll, amelyeket A-, B- és C-teremnek neveznek. A laboratóriumok hossza több mint 100 méter, a magassága és szélessége is 18 m. A laborátórium bejárata 6 kilométerre van az alagút nyugati bejáratától. 19
A leptonok tömegei. m e 0.51099907 MeV/c 2 m µ 105.65839 MeV/c 2 m τ 1777.05 MeV/c 2 m νe < 15 ev/c 2 m νµ < 0.17 MeV/c 2 m ντ < 18.2 MeV/c 2 Neutrínók A részecskék standard modellje, amely a jelenlegi tudásunk szerint a legjobb leírást adja a környezetünkről és a környezetünkben végbemenő jelenségekről, a világmindenséget néhány építőelem (hat kvark és hat lepton és ezek antirészecskéi) és a köztük végbemenő négy alapvető kölcsönhatás segítségével írja le. A neutrínók a leptonok 3 családjába tartozó stabil, elektromosan semleges részecskék, a spinjük 1/2. Három elektromosan töltött leptont ismerünk: az elektront (e ) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müont (µ ) és a taut (τ ). Az elektromosan töltött leptonok három alapvető kölcsönhatásában vesznek részt (elektromágneses-, gyengeés gravitációskölcsönhatásban), de nem vesznek részt az erőskölcsönhatásban. Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges lepton, egy neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (ν e ), a müonhoz a müonneutrínó (ν µ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ν τ ). A neutrínók a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatásban vesznek részt, ezért nagyon nehéz detektálni őket. A neutrínó-kisérletek nagyon nehéz kisérletek, ugyanakkor a neutrínó-kisérletek alapvető kérdésekre adhatnak választ, például, a részecskefizika, az asztrofizika, a kozmológia és a geofizika területén. A neutrínók egyrészt a kutatás tárgyát képzik, A tulajdonságaik tanulmányozásával jobban megismerjük a részecskék viselkedését. Másrészt a kutatás aktív szereplői, próbarészecskék, amelyek információt hoznak a Földben, a Napban, a csillagokban és más érdekes égitestekben végbemenő folyamatokról. A legutóbbi kisérletek alapján a neutrínóknak, jóllehet nagyon kicsi de véges tömegük van. A neutrínó már számos esetben meglepte a kutatókat. A neutrínó hipotézis születése sem volt kivétel ezek közül a meglepetések közül. Wolfgang Pauli a neutrínó hipotézist akkor vezette be, amikor 1930-ban egy kétségbeesett kisérletet tett arra, hogy a hosszú időn keresztül igaznak bizonyult energia megmaradásnak, az impulzus megmaradásának és az impulzusmomentum megmaradásának a törvényét megmentse a β-bomlásban. A β-bomlásra példa a szabad neutron bomlása: n p + e + ν e, 3 A lepton azoknak a részecskéknek a gyüjtő neve, amelyek nem vesznek részt az erőskölcsönhatásban és fermionok. Fermionnak nevezünk minden olyan részecskét, amelynek az eloszlását a Fermi-Dirac statisztika írja le. Ezeknek a részecskéknek a spinje félegésszám. A lepton görög szó, amely könnyűt jelent. Ez az elnevezés akkor született, amikor az erősen kölcsönható részecskéknél, lényegesen könnyebb olyan részecskéket ismertek, amelyek nem vesznek részt az erőskölcsönhatásban (e,µ). 20
ahol n a neutront, p a protont, e az elektront és ν e az antielektronneutrínót jelöli. A β-bomlásnál a β-részecskék (e ) energia spektruma folytonos. Ha a bomlásnál csak két részecske keletkezne, akkor a β-részecskék meghatározott energiával rendelkeznének és az energiaspektrumuk csak egy értéket tartalmazna (egy vonal lenne). A neutrínó név, amely olaszul kis semleges részecskét jelent, Enrico Fermitől származik (1931). 1934-ben Enrico Fermi a kvantumelektrodinamika mintájára megalkotja híres elméletét, amely a neutrínót valóságosnak tekintve leírja a β- bomlást. Hans Bethe és Rudolf Peierls 4 Fermi elméletének segítségével kiszámítják, hogy mekkora a neutrínó szabad úthossza vízben. Hosszabb 1000 fényévnél. Ezért azt állították, hogy nincs olyan gyakorlati módszer, amellyel a neutrínót kisérletileg ki lehet mutatni. Erről értesülve Pauli a következőt mondta: Szörnyű dolgot cselekedtem, olyasmit, amit egy elméleti fizikusnak nem volna szabad megtennie. Olyan részecskét tételeztem fel, amelyet sosem lehet kimutatni kisérletileg. A neutrínó-kisérletek nehézségét jól bizonyítja az, hogy a neutrínó hipotézisének a megszületése és a neutrínó kisérleti kimutatása között két és fél évtized telt el. C. Cowan Jr. és F. Reines 1956-ban mutatták ki kisérletileg a neutrínót. Ezért a kisérletért 1995-ben F. Reines Nobel-díjat kapott. Bruno Pontecorvo, aki a neutrínók talán legkiválóbb szakértője volt, azt állította, hogy a neutrínó az részecskék állatkertjének a zsiráfja. Az anekdóta szerint az egyszeri cowboy, amikor az állatkertben meglátta a feje fölé tornyosuló zsiráfot, így kiáltott fel: ilyen állat nincs. Különböző típusú neutrínóknak kell létezniök (Bruno Pontecorvo). Brookhavenben 1962-ben megtalálják a ν µ müonneutrínót. Gel-Mann és Zweig 1964-ben a statikus kvarkmodell segítségével három kvark, az up (u), a down (s) és a strange (s) kvark segítségével építi fel a protont, a neutront és más erősen kölcsönható részecskéket. Glashow, Iliopoulis és Maiani (GIM) 1970-ben azt állították, hogy a kvarkoknak párokban kell létezniük. Hamarossan ezután megtalálták a c kvarkot. Két japán fizikus Makoto Kobayashi és Toshilde Maskava, arra a következtetésre jutott, hogy a K 0 mezonoknál a CP-sértés az SM keretein belül egy új kvark-lepton család bevezetésével meg lehet magyarázni. A b és t kvarkokat is megtalálták, így lett meg a három kvark-lepton család. A CERN-ben a LEP-pel bebizonyították, hogy három és csak három könnyű kvark-lepton család létezik. A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Az anyag alig abszorbeálja őket, az elektromos és mágneses mezők pedig nem hatnak rájuk, így a keletkezési helyüktől egyenes vonalban érkeznek meg a detektorhoz, megőrizve az információt a keletkezésük körülményeiről (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz mutató irány). A neutrínók egyedülálló lehetőséget nyujtanak a tudósoknak arra, hogy bepillantsanak a Napban, a csillagokban és más érdekes égitestekben lejátszódó folyamatokba. A tudósok egyrészt tanulmányozzák a neutrínókat, hogy egyre pontosabban feltárják a neutrínók tulajdonságait, másrészt a neutrínók segítségével egyre újabb ismereteket szereznek a geofizika, az asztrofizika és az asztronómia területén. 4 Pejerls 21
A β-bomlás 1896-ban Henri Bequerel felfedezi a radioaktivitást. Ezután a XX. század elején az atomfizika gyors fejlődésnek indul. 1930-ban egy magfizikai reakció az ún. β-bomlás hívta fel magára a figyelmet. A β-bomlásba keletkezik egy elektron (β-sugárzás), egy atommag, amelynek a rendszáma eggyel magasabb (egy pozitív töltéssel több töltése van), mint a reakció előtti atommagnak és egy ν e antielektronneutrínó: (N, P ) (N 1, P + 1) + e + ν e, ahol N a neutronok száma P pedig a protonok száma. Például: vagy a tricium bomlása: 6 2 He 6 3 Li + e + ν e, 3 1H 3 2 He + e + ν e, amelynek a bomlásideje τ = 12.4 év és a spektrum végpontja E = 18.6 kev. A β-bomlásra példa a szabad neutron bomlása: n p + e + ν e, ahol n a neutront, p a protont, e az elektront, ν e pedig az antielektronneutrínót jelöli. A neutron β-bomlásában tulajdonképpen egy d kvark bomlik el: d u + e + ν e. Így egy atommag β-bomlása visszavezethető egy neutron β-bomlására, az pedig egy d kvark β-bomlására. Mérték az elektron energiáját a β-bomlásban. Amikor egy nyugalomban levő részecske két részecskére bomlik, akkor az energia és impulzus megmaradása miatt mind a két részecskének meghatározott energiával kell rendelkeznie (vonalas spektrum): m 1 v 1 = m 2 v 2 v 1 = m 2 m 1 v 2. Az atommag m 1 tömege sokkal nagyobb, mint az elektron m 2 tömege, ezért az atommagnak sokkal kisebb sebessége van mint az elektronnak. Az energia megmaradása miatt: E k = T 1 + T 2 = m 1v1 2 + m 2v2 2. 2 2 Mivel m 1 >> m 2, ezért az elektron viszi el a kötési energia nagyrészét: m 1 v 2 1 2 = m 1 ( m ) 2 2 m 2 v 2 v ( 2 = 2 m ) 2 m 2 v << 2 2 2 m 1 2 m 1 2, mivel m 2 m 1 << 1. A β-bomlásban az elektronak folytonos eloszlása van, amelynek a végpontja olyan energiájú, amely energiájúnak kell lennie az elektronnak a két részecskére történő bomlás esetén. Wolfgang Pauli azért, hogy a hosszú éveken át igazolt megmaradási törvényeket (az enegiamegmaradást, az impulzusmegmaradást, az impulzusmomentummegmaradást) megmentse bevezette a neutrínó hipotézisét. 22
Fermi β-bomlás elmélete Fermi 1934-ben, jóval a neutrínó kisérleti kimutatása előtt, a kvantumelektrodinamika mintájára, amelyben két mozgó elektron, két áram, foton átadásával hat egymásra, megalkotta a β-bomlás elméletét. A β-bomlás esetében egy neutron egy protonná, egy elektronná és egy antielektronneutrínóvá alakul. A neutron lehet szabad, vagy az atommag egy alkotó eleme. Fermi a β-bomlást két áram kölcsönhatásaként írja le (lepton áram, elekton/neutrínó és nukleon áram, neutron/proton). A kölcsönhatáskor a kölcsönhatási pontban az elektromos töltés átadásával együtt gyenge töltés átadására is sor kerül. Így a semleges neutron áram negatív töltést veszít azaz pozitív elektromos töltést kap és proton árammá alakul, az antielektronneutrínó áram pedig negatív töltést kap és elektron árammá alakul. A neutron β-bomlása n p + + e + ν e, d u + W és azaz W e + ν e Az inverz β-bomlás ν e + p + n + e +, u d + W + és ν e + W + e + azaz Az elektromágneses kölcsönhatással ellentétben a gyengekölcsönhatásnak a hatótávolsága nagyon kicsi, Fermi nullának vette ezt a távolságot. Hans Bethe és Rudolf Peierls Fermi elméletének segítségével kiszámítják, hogy mekkora a neutrínó szabad úthossza vízben. Hosszabb 1000 fényévnél. Ezért azt állították, hogy nincs olyan gyakorlati módszer, amellyel a neutrínót kisérletileg ki lehet mutatni. Erről értesülve Pauli a következőt mondta: Szörnyű dolgot cselekedtem, olyasmit, amit egy elméleti fizikusnak nem volna szabad megtennie. Olyan részecskét tételeztem fel, amelyet sosem lehet kimutatni kisérletileg. A neutrínó nevet Fermi adta ennek a részecskének 1931-ben. Fermi szerint a β-bomlás energiaspektrumának az alakja függ a neutrínó tömegétől. Az energia spektrum alakjáról arra következtetett, hogy a neutrínó tömege vagy zérus, vagy nagyon kicsi az elektron tömegéhez viszonítva. 23
A ν e kisérleti kimutatása (1956) (A Savannah River Kisérlet) Frederick Reines és Clyde L. Cowan, Jr. az inverz β-bomlás segítségével mutatták ki a ν e antielektronneutrínót a Savannah River atomreaktor közelében: ν e + p n + e +. Kezdetben arra gondoltak, hogy a neutrínót egy atombomba robbantásnál lehet kimutatni kisérletileg. A reaktorban keletkező ν e -k intenzitása lényegesen alacsonyabb mint az atombomba esetében keletkező neutrínók intenzitása, a reaktortól 11 méterre 10 13 ν e sec 1 cm 2 volt. A reaktoros neutrínóknak viszont az az előnyük, hogy hosszú időn keresztül rendelkezésre állnak. A detektor 11 méterre volt a reaktortól 12 méterre a föld felszíne alatt így 12 méter vastag földréteg védte a kozmikus sugárzástól. A detektor mérőtérfogata két négyszögletes összesen 200 literes térfogatú plasztik tartályból állt. A plasztik tartályokban víz volt. A vízben található protonokon ment végbe az inverz β-bomlás. A vízben 40 kg kadmiumkloridot (CdCl 2 ) oldottak fel. A kadmium atommagok a keletkező neutronok befogására szolgáltak. A két céltárgyat folyadékszcintillációs detektorok között helyezték el. Minden téglatestalakú szcintillátoros detektorban 1400 liter folyadékszcintillátor volt, amellyet 110 5in fotoelektron-sokszorozó figyelt. Ezekkel detektálták az egymást követő eseményeket késleltetett koincidenciával. Ekkor fejlesztették ki a szerves folyadékszcintillátoros detektorokat. Addig a legnagyobb folyadékszcintillátoros detektor térfogata kb 1 liter volt. A ν e antielektronneutrínó kölcsönhat egy protonnal. A kölcsönhatás következtében egy neutron (n) és egy pozitron (e + ) az elektron antirészecskéje keletkezik. A e + pozitron azonnal talál egy elektront és annihilálódnak és két 0.511 MeV-es γ keletkezi amelyeket a fotoelektron-sokszorozók detektálnak. A gammák ellentétes irányban repülnek. A n neutron egész addig bolyong a céltárgyban, amíg egy kadmium atom be nem fogja. A neutronbefogással keletkezett új atommag fotonokat bocsát ki. n + 108 Cd 109 Cd 109 Cd + γ A kibocsátott fotonok összenergiája kb. 9 MeV. Néhány mikroszekundum (3-10 µs) választja el ezt a két eseményt. Óránként három ilyen eseményt detektáltak. A két víztartályban összese 200 l vïz volt, amelyben 40 kg CdCl 2 -t oldottak fel. A tankok három réteg szcintillátor közẗt voltak, amelyeket 110 5 inches fotoelektronsokszorozó figyelt. Annak az igazolására, hogy a neutrínók a reaktorból jöttek, olyam méréseket is elvégeztek, amelynél a reaktor nem működött. A neutrínók hatáskeresztmetszetét 6.3 10 44 cm 2 -re becsülték. A sikeres kisérlet után 1956 junius 14.-én F. Reines és C. Cowan Jr. táviratot küldött W. Paulinak Zürichbe a neutrínó kisérleti kimutatásáról: Boldogan közöljük, hogy határozottan megfigyeltük a maghasadás termékek között a neutrínókat, amikor azok protonokon inverz β-bomlást váltottak ki ( ν 0 + p + n 0 + e + ). A mért hatáskeresztmetszet jól egyezik az elméletileg várt 6 10 44 cm 2 értékkel. 1956 julius 14., Clyde Cowan. W. Paulit egy CERN-i konferencián érte utól a hír. A konferenciát megszakítva bejelentették a hírt a neutrínó kisérleti kimutatásáról. W. Pauli barátai társaságában egy láda pezsgővel ünnepelte meg 24
a hírt, majd a következő választáviratot küldte: Köszönöm az üzenetet - minden megérkezik annak, aki tudja, hogy hogyan kell rá várni. 1995-ben Frederick Reines Fizikai Nobel-díjat kapott az elektronneutrínó kisérleti kimutatásáért. Reines és Cowan mérései alapján a neutrínó tömege kisebb az elektron tömegének 1/2000 részénél. A jelenlegi adataink szerint < 10 8 elektrontömegnél, a hatáskerestmetszet jól megegyezik az elméleti érékkel, amely σ = 6.3 10 44 E = 3 MeV energiánál. Az eredményeket 1956-ban publikálták a Science magazinban: Detection of the Free Neutrino: A Confirmation C.L.Cowan, Jr., F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse and A.D. McGuire, Science 124, 403 (1956). The Neutrino, Frederick Reines and Clyde L. Cowan Jr. Nature 178, 446 (1956). 25