2001. június 18-án a SNO1 együttmûködés bejelentette, hogy megtalálták a megoldást a napneutrínók problémájára, mely több mint 30 éve vetődött fel. A SNO együttmûködés első mérési eredményei magyarázatot adnak a napneutrínó-fluxus hiányára és a neutrínók új tulajdonságaira derítettek fényt. A megoldás annyit jelent, hogy legalább egy neutrínótípusnak zérusnál nagyobb véges tömege van, ennek pedig óriási a jelentősége a természettudomány számos területén, hogy a legfontosabbak közül csak egyet, a kozmológiát említsük.
A neutrínók elemi részecskék. Elektromos töltésük nincs. A négy alapvető kölcsönhatás (erős, elektromágneses, gyenge és gravitációs) közül a gravitá - ciós kölcsönhatáson kívül, amely kölcsönhatásban minden részecske részt vesz, csak a gyenge kölcsönhatásban vesznek részt. A neutrínók a leptonok családjába tartoznak. Három elektromosan töltött lepton létezik az elektron (e-), a müon (m -) és a tau (t -). Minden töltött leptonhoz tartozik egy neutrínó, az elektronhoz az elektronneutrínó (ne ), a müonhoz a müonneutrínó (nm), a tau - hoz pedig a tauneutrínó (nt).
A napneutrínók
Napneutrínóknak nevezzük azokat a ne - utrínókat, amelyek a Napban keletkeznek. A Nap által szétsugárzott energia mélyen a Nap belsejében keletkezik termonukleáris reakciók láncolatában. A reakcióknak ebben a láncolatában protonokból (p) több lépésben hélium (4He) keletkezik: 4p ® 4He + 2e+ + 2ne + 26,7 MeV. (1)
A reakciók közül többen elektronneutrínó keletkezik. Minthogy a neutrínók csak gyenge kölcsönhatásra képesek az anyaggal, ezért könynyen kijutnak a Nap belsejéből és a keletkezésük - től számítva nyolc perc alatt elérik a Földet. A Nap-modellek megjósolják az egyes reakciókban keletkező neutrínók fluxusát2 és energiaspektrumát, amelyeket kísérletileg mérni lehet. Különböző detektálási technikákkal az egész napneutrínó-spektrum különböző részeit lehet vizsgálni. A napneutrínók fluxu - sa a Föld felszínén: 6,57 ´ 1010 cm-2s-1. A Napban másodpercenként 2 ´ 1038 elektronneutrínó keletkezik. A napneutrínó-kísérletek, amelyek detektálják a Napban keletkező neutrínókat, lehetővé teszik a Nap belsejében lejátszódó termonukleáris reakciók kísérleti vizsgálatát. Mint érdekességet megjegyezhetjük, hogy a napneutrínókísérletek mélyen a föld belsejéből vizsgálják a Nap sugárzását. A kísérletek eredményei alapján lehetőség nyílik:
- A Napban lejátszódó energiát termelő folyamatok egyre tökéletesebb megértésére. Olyan Nap-modellek készítésére, amelyek egyre pontosabban írják le a Napban lejátszódó folyamatokat (csillagászat). - A neutrínók tulajdonságainak (neutrínóoszcilláció, a neutrínók nyugalmi tömege stb.) egyre pontosabb megértéséhez (részecskefizika).
A napneutrínók problémája
1968-ban Ray Davis megkezdte úttörő kísérletét, a 37Cl-kísérletet a Homestake bányában az Egyesült Államokban (ne + 37Cl ® 37Ar + e-). Ez a kísérlet volt az első és két évtizeden keresztül az egyetlen, amely napneutrínókat figyelt meg. Ray Davis az ún. Standard Napmodell (Standard Solar Model - SSM) által megjósolt értéknél lényegesen kevesebb napneutrínót detektált. A jósolt és mért érték közötti eltérés kapta a napneutrínók problémája (Solar Neutrino Problem - SNP) elnevezést.
A 37Cl-kísérletet követő napneutrínókísérletek (Kamiokande és a galliumkísérletek (ne + 71Ga ® 71Ge + e-): GALLEX - GALLium EXperiment és SAGE - Soviet American Gallium Experiment) igazolták a napneutrínók problémájának a létezését. Ezek a kísérletek a napneutrínók energiaspektrumának nagy részét mérték és nyilvánvalóvá vált, hogy az elméleti és mért érték eltérése más és más az energiaspektrum különböző részein. A napneutrínók problémája nagyon érdekes, különösen azért, mert a tudósok gondosan ellenőrizték mind az elméleti feltételezéseket, mind a kísérleteket és nem találtak hibát egyikben sem.
Hová lettek a napneutrínók? A napneutrínók problémájának megoldását két területen lehet keresni:
- Az asztrofizikai megoldás. Elképzelhető, hogy nem értettük meg jól a Napban lejátszódó reakciókat és folyamatokat. Új Nap-modellek készítésével próbáljuk az elméleti és mért értékeket összehangolni. - A részecskefizikai megoldás. A részecskéket és a közöttük létrejövő kölcsönhatásokat az ún. részecskék Standard Modellje (Standard Model of Particles - SM) írja le. E modell alapján a neutrínók tömege zérus. Ha a három különböző típusú neutrínó közül legalább egynek zérustól eltérő tömege van, akkor fellép az ún. neutrínóoszcilláció jelensége, amikor egy adott típusú neutrínó átalakul más típusú neutrínóvá. A napneutrínók oszcillációja létrejöhet vákuumban (a Naptól a Földig megtett távolságon), vagy az anyagban (a Nap és a Föld anyagában). Az oszcilláció jelensége függ a neutrínók energiájától. A Napban csak elektronneutrínók 1 Sudbury Neutrino Observatory, Sudbury, Ontario, Kanada. 2 A fluxus egyenlő a részecskék irányára merőleges egységnyi felületen egységnyi idő alatt áthaladó ré - szecskék számával. (ne) keletkeznek. A keletkezési he - lyüktől a Napban a detektálási helyükig a Földön megtett úton az elektronneutrínók (ne) egy része más típusú neutrínókká (nm, nt) alakulhat át, amelyet a detektorok többsége nem detektál.
A két lehetséges megoldás közül a részecskefizikai megoldás képes összehangolni az elméleti és mért értékeket a teljes energiaspektrumon. Ez azért nagyon érdekes, mert ha bebizonyosodik, hogy ez a megoldás az igaz, akkor olyan új fizikai jelenséggel állunk szemben, amely túlmutat a jelenlegi fizikai ismereteinken.
Neutrínóoszcilláció
Ha a három különböző típusú neutrínónak nem egyforma a tömege, akkor fellép az ún. neutrínóoszcilláció jelensége: ne ® nm, nt, nm ® ne, nt vagy nt ® ne , nm (2)
A neutrínóoszcillációban a neutrínó periodikusan különböző típusú neutrínóként jelenik meg. Ha a neutrínók bármilyen kis tömeggel is rendelkeznek, akkor a természettudomány számos területén módosítani kell az elméleteinket: - Módosítani kell a részecskefizika standard modelljét úgy, hogy számot tudjon adni a neutrínók tömegéről. Valamint arról, hogy a leptonszám megmaradása sérül. - A kozmológia területén a neutrínók képezhetik az univerzum sötét anyagát (dark matter).
Hogyan lehet megoldania napneutrínók problémáját?
A Napban az elmélet szerint csak elektronneutrínók (ne) keletkeznek. A napneutrínók problémájának részecskefizikai megoldása azt tételezi fel, hogy a Napban keletkező elektronneutrínók a keletkezési helyüktől a detektorig megtett úton vákuumban (a Nap-Föld távolságon) vagy anyagban (a Nap és Föld anyagában) más típusú neutrínóvá alakulnak át.
A napneutrínó-detektorok eddig csak az elektronneutrínókat detektálták. Ahhoz, hogy véglegesen el lehessen dönteni azt, hogy a Napban keletkező elektronneutrínók (ne) a detektorig megtett útjukon átalakulnak-e vagy sem más típusú neutrínókká (nm, nt), olyan napneutrínó- detektorra van szükség, amely egyrészt képes detektálni a Napból érkező elektronneutrínókat (ne), másrészt képes detektálni a Napból érkező minden neutrínót, a típusától függetlenül (ne, nm és nt). Összehasonlítva a két módon mért neutrínók számát, egyértelmûen el lehet dönteni, hogy az elektronneutrínók átalakultak-e más típusú neutrínókká vagy sem. Kanadában elvégeztek egy ilyen kísérletet. Ez a kísérlet most végleges megoldást adott a napneutrínók problémájára.
Sudbury Neutrino Observatory
Az SNO a napneutrínó-kísérletek legutolsó generációjához tartozik. A detektor 2073 m mélyen van a Creighton bányában (Sudbury, Ontario, Kanada). Ez a mélység 6010 m vastag vízréteggel azonos védelmet nyújt a kozmikus sugárzás ellen. Az SNO egy Čerenkov-detektor4, amely azonos időben (real time) méri a napneutrínókat. A detektor mérőtérfogata 1000 tonna D2O nehézvizet tartalmaz, amelyet 4 m vastag H2O vízréteg vesz körül5. A detektor céltárgyát (mérő térfogatát) körülötte koncentrikusan elhelyezett 9456 fotoelektronsokszorozó figyeli. A kívánt jel/zaj arány eléréséhez a nehéz és könnyû vizet annyira meg kell tisztítani a radioaktív szennyeződésektől, hogy 1g mennyiségû vízben legfeljebb 10-15 g radioaktív szennyeződés lehet.
Amikor az elektronneutrínó (ne) a töltött áram közvetítésével kölcsönhat a deutériummal, akkor egy W+ bozon átadására kerül sor és a deutérium neutronja protonná változik:
ne + D ® p + p + e-, (CC),
ahol CC - charged current (töltött áram). Ebben a reakcióban csak az elektronneutrínó vehet részt. A két proton taszítja egymást, így az atommag részeire esik szét és a reakció végterméke két proton és egy elektron lesz. A vízben az elektron gyorsabban halad a fénynél, így Čerenkov-sugárzást hoz létre. A neutrínó energiáját és haladási irányát meg lehet határozni a fotoelektron- sokszorozók jeleiből.
Amikor a neutrínó a deutériummal a semleges áram közvetítésével kölcsönhatásba kerül, akkor egy Z0 bozon átadásra kerül sor:
n + D ® n + n + p, (NC),
ahol NC - neutral current (semleges áram). Ebbe a reakcióban valamennyi típusú neutrínó (ne , nm, nt) egyforma valószínûséggel vesz részt. A deutéri - um atommagja, ebben az esetben is alkotórészeire esik szét. Ezen kívül az elektronokon is valamennyi típusú neutrínó rugalmasan szóródhat:
nx + e- ® nx + e- (ES),
ahol ES - elastic scattering (rugalmas szórás). Így a kísérlet méri az összes neutrínót, amely a Napból érkezik, attól füg - getlenül, hogy a detektorig megtett úton a neutrínók átalakultak-e egymásba vagy sem és méri csak az elektronneutrínókat, amelyek a Napból érkeznek. A két fluxust összehasonlítva egyértelmûen el lehet dönteni, hogy a Napban keletkező elektronneutrínók átalakulnak-e vagy sem más típusú neutrínókká.
A kísérleti eredmények alapján új ha - tárokat lehet megadni a neutrínók tömegére. Azt is meg lehet becsülni, hogy a neutrínók mennyivel járulnak hozzá az univerzumban található sötét anyaghoz.
Összefoglalva, azt mondhatjuk, hogy az itt említett eredmények első esetben igazolják direkt módon, hogy a detektált napneutrínók között az elektronneutrínókon kívül más típusú neutrínók is vannak. Ez pedig annyit jelent, hogy létezik a neutrínóoszcilláció jelensége és így legalább egy neutrínótípusnak zérustól nagyobb véges tömege van.
Neutrínóoszcilláció vákuumban és anyagban
Ha a leptonszám megmaradása nem abszolút módon teljesül és a neutrínóknak tömegük van és azok nem egyenlők egymással (m1 ą m2 ą m3), akkor a n1, n2 és n3 tömegsajátállapotok különböznek a gyenge kölcsönhatás ne, nm és nt sajátállapotaitól. Az egyes tömeg-sajátállapotok a saját w frekvenciájuknak megfelelő változtatják az eiwt fázisukat, ahol w = E/h- = Ö ľľ m2+ ľľ p2/h- . Amikor a neutrínó vákuumban halad, akkor a különböző tömeg-sajátállapotok különböző módon haladnak. Így a sajátállapotok összetétele megváltozik és a neutrínó periodikusan különböző neutrínóként jelenik meg. Az egyszerûség kedvéért két különböző típusú neutrínót feltételezve, annak a valószínûsége, hogy müonneutrínó L távolság megtétele után müonneutrínó marad ahol a neutrínónyaláb E energiáját MeV-ben3, a Dm2-et (eV/c2)2 egységben, az L távolságot pedig méterben kell megadni. A neutrínóoszcillációt a sin22J és Dm2 paraméterekkel lehet leírni, ahol J az ún. keveredés szöge (mixing angle) és Dm2 = m2 2 - m2 1. Anyagon áthaladva a különböző típusú neutrínók más-más kölcsönhatásra lépnek az anyaggal. Így ez a jelenség is neutrínóoszcillációhoz vezethet: . 4 sin ) 2 ( sin ) ( 2 2 ÷ ř ö ç č ć D » ® E L m P J n n t m , 27 , 1 sin 2 sin 1 ) ( 2 2 2 ÷ ř ö ç č ć D - = ® E L m P J n n m m 3 1 eV = 1,60211733(49) ´ 10-19 J, 1 eV/c 2 = 1,782661731(70) ´ 10-36 kg.
Az első eredmények
Az SNO-együttmûködés első méréseiben a (CC) és (ES) kölcsönhatásokat mértek és a mérési eredményekből meghatározták a f (ne) és f (nx) fluxusokat. Később mérni fogják a f(nx) fluxust a (NC) kölcsönhatás segítségével is. Az első mérések eredményei: f CC SNO(ne) = 1,75 ± 0,07(stat.)+0,12 - 0,11(sys.) ± 0,05(theor.) ´ 106 cm-2s-1, f ES SNO(nx) = 2,39 ± 0,34(stat.)+0,16 - 0,14(sys.) ´ 106 cm-2s-1. A fCC SNO(ne) értéket összehasonlítva a Szuper Kamiokande (SK) nagy pontossággal megmért f ES SK(nx) értékével, azt megkapták, hogy az elérés a hiba 3,3-szorosa: f ES SK(nx) = 2,32 ± 0,03(stat.)+0,08 - 0,07(sys.) ´ 106 cm-2s-1, f ES SK(nx) - f CC SNO(ne) = 0,57 ± 0,17 ´ 106 cm-2s-1. Ez pedig annyit jelent, hogy nagy megbízhatósággal állíthatjuk, hogy a teljes neutrínófluxusban nem csak elektronneutrínók vannak. Kiszámították a teljes 8B-neutrínó-fluxust is: (5,44 ± 0,99) ´ 106 cm-2s-1. Ez pedig kitûnő egyezésben van az elméleti értékkel: 5,05 ´ 106 cm-2s-1.
5 A közönséges víz („könnyû" víz) molekulájában (H2O) egy oxigén- (O) és két hidrogén- (H) atom van. A „nehéz" víz molekulájában (D2O) a hidrogén helyett deutérium (D) van. Kémia szempontból a „nehéz" és „könnyû" víz egyformán viselkedik. A hidrogén atommagjában egy proton (p), a deutérium atommagjában pedig egy proton és egy neutron (n) van. A deutérium a hidrogén izotópja.
4 Čerenkov-sugárzás akkor jön létre, ha egy elektromosan töltött részecske egy átlátszó közegben gyor - sabban halad, mint a fény n > nt = c/n, ahol n a részecske sebessége, nt a fény sebessége az átlátszó anyagban, c a fény sebessége vákuumban, n pedig az átlátszó anyag fénytörés mutatója. A töltött részecske polarizálja az átlátszó anyag molekuláit, amelyek gyorsan visszatérnek alapállapotukba és közben fotonokat bocsátanak ki. A kibocsátott sugárzás hullámfrontja d szöget zár be a részecske haladási irányával: cosd = nt/n = c/(nn) = 1/(bn), ahol b = n/c.
IRODALOM
1. http://sno.phy.queesu.ca/ 2. John N. Bahcall: How the Sun Shines, Nobel e- Museum, http://www.nobel.se/physics/articles/ fusion/index.html 3. John N. Bahcall, Neutrino Astrophysics, Cambridge University Press, Cambridge, 1989 4. Manno István: A napneutrínók, Természet Világa 127. évf. 4. sz. 1996. április 5. Manno István: „Csendes fizika", Természet Világa, 131. évf. különszám, 2000. március
