A neutrínók tulajdonságainak megértése tovább mélyítette ismereteinket az anyag legparányibb részeiről, az elemi részecskék világáról. Mióta a neutrínók viselkedésének megértése a fizikai kutatás homlokterébe került, új és új módszereket fejlesztettek ki, hogy minél megbízhatóbban mutassák ki a jelenlétüket.

Ebben ért el jelentős eredményeket az amerikai Ray Davis és a japán Kosiba Maszatosi, akik a neutrínók nem földi eredetű forrására voltak kíváncsiak. Ők főként a Nap felől érkező fotonok mennyiségének (fluxusának) meghatározására törekedtek. 2002-ben Nobel-díjjal is elismert eredményeiket az tette különösen fontossá, hogy fény derült egy anomáliára: a Nap fúziós folyamataira épített elméletből meg lehetett becsülni, hogy onnan mekkora neutrínófluxus érkezik a Földre, de kísérleteik szerint ennek csak felét-harmadát lehetett az ő módszerükkel megfigyelni. Ez azért volt meglepő, mert a neutrínók mindenen könnyen áthatolnak, így a veszteség oka nem volt érthető. Először a napmodell hibájára gyanakodtak, de hiába igyekeztek finomítani rajta, nem csökkent az eltérés a mért és a számított fluxusok között.

Hová tűnt el a tudós?

Itt lép be a képbe a neutrínókutatás különös egyénisége, Bruno Pontecorvo olasz származású tudós. Tudományos karrierjét még Fermi laboratóriumában kezdte, de Mussolini hatalomra jutása után, 1940-ben Párizsban folytatta tevékenységét, majd onnan a német megszállás elől menekülve az Egyesült Államokba emigrált. Ott sem tartózkodott hosszú ideig, Kanadába ment, majd az angol állampolgárság megszerzése után Angliában dolgozott tovább.

Legfőbb kutatási területe a magfizika volt, azon belül is a neutrínók foglalkoztatták a leginkább, kollégái ezért a Mr. Neutrínó névvel is illették őt. 1950-ben egy római utazás során eltűnt, és csak néhány évvel később derült ki, hogy családjával együtt a Szovjetunióba szökött. Haláláig Dubnában folytatta tevékenységét, és ebben az időszakban érte el azokat az eredményeket, amelyekkel nagy lökést adott a neutrínók tulajdonságainak feltárásához. Ennek ellenére Nobel-díjat nem kapott, amiben része lehetett a gyanúnak, hogy kémkedhetett a hidrogénbomba megvalósítása érdekében. Ezt ő tagadta, sőt éppen a békés célú kutatás mellett állt ki, bizonyíték pedig azóta sem került napvilágra esetleges kémtevékenységéről.

A neutrínóoszcilláció színrelépése

De mi is volt, amit Pontecorvo hozzátett a neutrínó elméletéhez? A Standard Modell egyik tézisével szemben, amely szerint a neutrínónak nincs tömege, felvetette, hogy mindhárom neutrínótípusnak van tömege, és a neutrínó három formája között oszcillációk jönnek létre. Ez a lassú oszcilláció rárakódik a neutrínó és az antineutrínó közötti gyors oszcillációra. A Napban keletkező neutrínók eredetileg elektron típusúak, de az oszcilláció révén részben átalakulnak müon és tau típusú neutrínóvá, és emiatt a Földre érkező neutrínóáramban már lecsökken az elektron típusú neutrínók mennyisége. A mérőműszer alapvetően csak az elektron neutrínókat észleli, és így a vártnál alacsonyabb lesz a mért fluxus.

De hogyan mozoghatnak fénysebességgel a neutrínók, ha van nyugalmi tömegük? Erre a válasz, hogy minden mérés véges pontosságú, és a neutrínók sebessége nagyon közel lehet a fényéhez, mégpedig annyira, hogy az eltérés már belül van a hibahatáron. Ha ismerjük ezt a kis eltérést, és tudjuk a neutrínó energiáját, akkor már kiszámíthatjuk a nyugalmi tömeget, ami annál kisebb, minél közelebb vagyunk a fénysebességhez. A növekvő pontosságú mérések miatt egyre lejjebb kellett szorítani a neutrínók lehetséges tömegét, és ma már ott tartunk, hogy a neutrínók tömege legalább egymilliószor kisebb az – egyébként legkisebb tömegű részecskének tartott – elektronénál is.

Ezen a parányi tömegen belül is meg kell különböztetni a müon és a tau neutrínó tömegét az elektron típusú részecskétől, és mivel a nagyobb tömegű neutrínók kissé lassabban haladnak, amikor a háromféle neutrínó hullámai szuperponálódnak, olyan lebegés jön létre, amelyben periodikusan változik a neutrínóáramon belül a három komponens aránya. Az L lebegési periódushossz az energiából és a tömegkülönbségek négyzetéből számolható az L≈E/∆m_ij² összefüggés szerint. Pontecorvo a három neutrínóhoz kvantummechanikai „tömeg-sajátállapotot” rendelt, amelynek háromdimenziós terében írta le a lehetséges keveredési állapotok oszcillációját. Ezt nevezi a szakirodalom PMNS mátrixnak az elmélet megalkotóinak neve alapján, mert ennek kidolgozásához három japán tudós (Maki, Nakagawa és Sakata) is hozzájárult.

Honnan érkeznek még neutrínók?

A neutrínók oszcillációjának bizonyításához a Napból származó részecskéken kívül tanulmányozták az atmoszféra felső határán a kozmikus sugárzás által keltett müonok neutronjait is, valamint érdekes adatokhoz lehetett jutni a szupernóva-robbanásból származó neutrínók tanulmányozásával is. A különböző irányú mérések alátámasztották a neutrínóoszcilláció elméletét; a legfontosabb bizonyítékokat szolgáltató japán Kajita Takaakit és az amerikai Arthur B. McDonaldot a Nobel-díj-bizottság 2015-ben ki is tüntette ezért.

További három tudós, akik ugyan nem kaptak Nobel-díjat, de érdemes megemlíteni a nevüket, kimutatta a neutrínók egy további fontos tulajdonságát. A fénytörés magyarázatánál jól ismert, hogy optikai közegekben a fotonok és a töltött részecskék kölcsönhatása miatt a fény lassabban terjed, mint vákuumban. Ehhez hasonló, de sokkal kisebb hatás lép fel a gyenge kölcsönhatás miatt a neutrínók és fizikai közegek között. Ezt két szovjet (Sztanyiszláv Mikhejev és Alekszej Szmirnov), valamint egy amerikai tudós (Lincoln Wolfenstein) mutatta ki. Rájuk utalva nevezik a jelenséget MSW effektusnak. Itt a hullámok koherenciahossza játszik szerepet, mert a sebesség változása a hullámok fázisát és ezáltal az oszcillációt is érinti.

Újabb meglepetés a neutrínók történetében?

Néhány éve nagy meglepetést keltett az eredmény, hogy egy olaszországi laboratórium mérése szerint a neutrínók sebessége, ha kismértékben is, de meghaladja a fénysebességet. Felül kell-e bírálni a relativitás kiinduló tételét, miszerint semmilyen fizikai hatás sem haladhatja meg ezt a határsebességet? – merült fel a kérdés.

A dilemma azonban nem sokáig élt, mert újabb és újabb ellenőrzések során fény derült egy kísérleti hibára, ami erre az eredményre vezetett. Ezután megnyugodott a fizikustársadalom, mégsem kell megváltoztatni a fizika egyik alapvető tételét.

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.

A neutrínróló szóló írás első része pedig itt mindjárt: