Neutrínó: a titokzatos részecske, ami négy Nobel-díjat ért

A ma neutrínó néven ismert részecske felfedezése Wolfgang Paulinak köszönhető. Az osztrák származású, svájci-amerikai elméleti fizikus 1930-ban, a radioaktív bétabomlás tanulmányozása során figyelt fel arra, hogy az elbomló atomból távozó elektron nem viheti magával sem az összes energiát, impulzust és a spint sem, ezért szükség van a magyarázathoz egy S = ½ spinnel rendelkező, töltés nélküli részecskére, aminek ő eredetileg a neutron nevet adta.

Két évre rá James Chadwick angol fizikus fedezte fel, hogy létezik egy másik semleges részecske az atommag belsejében, amit ő is neutronnak nevezett el. Először vitatott volt, hogy két különböző részecskéről van-e szó, de aztán az egyéb eredményeiért Nobel-díjal kitüntetett Enrico Fermi (Nobel-díjas, más eredményért kitüntetett) olasz fizikus adta meg a kapcsolatot a két részecske között, amikor a bétabomlást úgy értelmezte, hogy a neutron protonná alakul, miközben egy elektron és egy neutrínó lép ki belőle – ekkor kapta meg az új nevet a részecske. Chadwick 1935-ben kapott Nobel-díjat a neutron felfedezéséért, de ez még a neutrínó előtörténetéhez tartozik, a java még csak most jön.

Láthatóvá tették a láthatatlant

Egészen 1956-ig a neutrínót „láthatatlan” részecskének tekintették, ami arra szolgált, hogy a különböző megmaradási törvények rendben legyenek, de ekkor két amerikai fizikus, Clyde Cowan és Frederick Reines gondolt egy nagyot, és a neutron bétabomlási folyamatának megfordításával (később ezt nevezték bétabefogásnak) láthatóvá tette ezeket a rejtélyes részecskéket is.

A megfordítás azt jelentette, hogy a bétabomláskor képződő antineutrínót (a részecske-antirészecske terminológiában nevezik így, bár máig vitatott, hogy tényleg különböző részecske-e a neutrínó és antineutrínó) befogja egy proton, ami által neutron képződik egy pozitron kilépése mellett. Tulajdonképpen a pozitron kilépése segíti a neutrínó detektálását, de a mérésnél különleges elővigyázatosságra van szükség, mert a kozmikus sugárzás vagy a rádióaktivitás is létrehozhat pozitront – ezért csak a föld mélyén jól árnyékolt környezetben végezhető el a mérés.

Ráadásul a neutrínó igen gyengén reagál más részecskékkel, amit avval szokás jellemezni, hogy egy fényév hosszúságú, tehát a Naprendszer legkülső határáig érő ólomfalra lenne szükség ahhoz, hogy a neutrínók felét elnyelje. A Nobel-díj-bizottság csak sokkal később ismerte fel a felfedezés jelentőségét, amiért 39 év múltán, 1995-ben ítélte meg a díjat, amit már csak Reines kaphatott meg, aki még három évig élt a díj átvétele után.

Neutrínóból nem csak egy van

De mégsem az 1995-ben átadott díj volt az első, amivel a neutrínókutatást jutalmazták, hanem az 1988-as. Ebben az évben két amerikai, Leon Lederman és Melwin Schwartz és egy német tudós, Jack Steinberger részesült a megtiszteltetésben, mert kimutatták, hogy az elektronnal sokban egyező, de jóval nagyobb tömegű müonok bomlásakor szintén kilép egy a neutrínó tulajdonságait hordozó részecske.

Nem sokkal később, 1990-ben a Fermilab tudósai mutatták ki, hogy a müonnál is jóval nagyobb tömegű tau részecske bomlása is egy újabb neutrínó kibocsátásával megy végbe. Emiatt az elemi részecskék tulajdonságait összegző Standard Modellben a leptonnak elnevezett részecskék családjában már három elektron- és három neutrínó-típusú részecske szerepel. De amíg az elektron, müon és tauon esetén a tömegek nagy különbsége világosan elhatárolja egymástól a részecskéket, addig a neutrínók esetén nem volt világos, hogy ezek a részecskék igazából miben is különböznek, mert eredetileg tömeg nélkülieknek tartották a neutrínókat. Ennek oka, hogy a mérési pontosság határain belül a neutrínók mozgási sebessége azonosnak adódott a fényével, márpedig a relativitáselmélet szerint ekkora sebességgel csak nulla nyugalmi tömegű objektumok mozoghatnak. Szintén, mint említettük, nyitott kérdés maradt, hogy létezik-e külön neutrínó és antineutrínó, ahogy az elektronnak is van antirészecske párja, a pozitron.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A témáról bővebben lásd kötetét: Rockenbauer Antal: A kvantummechanikán innen és túl. A fénysebességű forgás koncepciója, Scolar kiadó, 2017. pp. 151-157. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatók.