A Szovjetunióba szökött, nem kapta meg a a Nobel-díjat a kalandos életű olasz atomfizikus, Mr. Neutrínó

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.

Carlo Franzinetti kísérleti fizikus (balra) és Bruno Pontecorvo, alias Mr. Neutrínó

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.

Grafika: Tóth Róbert Jónás

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/∆mij2 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.

Arthur B. McDonald és Kajita Takaaki

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: