TÉR HÍREK 17. 1. Pocsék a hangulat az amerikai tudósok körében 2 . A valaha mért legnagyobb energiájú neutrínót észlelték

A kép forrása:  https://www.eso.org/public/images/eso0708a/,
CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=75389943
A SN 1987A szupernova felvillanása a a Nagy Magellán-felhőben, a Tejútrendszert kísérő törpegalaxisban. A belőle jövő fény a Földet 1987. február 24-én érte el, de a mag összeroppanása során kibocsátott neutrínókat már február 23-án észlelték. Ezt a pillanatot tekinthetjük a neutrínócsillagászat születésének. 

1. Pocsék a hangulat az amerikai tudósok körében

Hosszú idő után jelentkezek ismét.  Mi  történt ezalatt a tudomány világában? (Természetesen tudomány világára csak a Nature hírlevelek szűk ablakán keresztül látok rá.)   Első helyen kell említeni, hogy az amerikai új elnökség körül kialakult "zavar" még mindig nem csillapodott le, és ekkor még finoman fogalmaztam.  Doktori programokat függesztettek föl, megnyirbálják a szövetségi tudományos költségvetést,  a  ökológiai és  klímakutató intézetek, kutatócsoportok  szűntek meg,  fontos ökológiai kiadványok megjelenése hiúsult meg, nemzetközi programok bizonytalanodnak el a beutazási nehézségek miatt, egyetemi elnökök mondtak le, és még hosszasan sorolhatnánk. Szinte már az "agyrém" kategória határait súrolja, hogy egy kiszivárgott levél szerint az az Országos Egészségügyi Intézethez  benyújtott pályázatokban kerülni kell az mRNS kifejezést, mivel  az új egészségügyi miniszternek nincs bizalma ehhez az új eljáráshoz.  (Emlékeztető,  ez volt az a technológia,  amiért Karikó Katalin Nobel díjat kapott.) Ehhez kapcsolódó hír az is, hogy több más mellett jelentősen csökkentik a  COVID-program finanszírozása is.  Ilyen körülmények közt nem meglepő,  hogy a Nature közvélemény-kutatásában részt vevő 1600 amerikai tudós háromnegyede azt mondta, hogy azt fontolgatják, hogy elhagyják az Egyesült Államokat az új kormányzat tudományt érintő lépései miatt. Európa és Kanada, Ausztrália számít az új  célterületnek.   A tendencia különösen szembetűnő a pályakezdő kutatók körében.  Arról nincsenek információk, hogy ezeknek az áttelepüléseknek mennyi a realitása, jól tudjuk, hogy Európa sincs túl rózsás helyzetben. 

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00938-y?utm_source=Live+Audience&utm_campaign=06ad1f325c-nature-briefing-daily-20250327&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-06ad1f325c-51760676

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00954-y

 Persze a tudományos élet zajlik, de minden kicsit mintha opálos fényt kapna mostanában.  Az elmúlt időszakból három hírt emelek ki, amelyek közül kettőt később fogok tárgyalni. 1. Megjelent  egy komoly tudósítás  sötét energia gyengülésével kapcsolatosan. 2. Az anyag-antianyag vizsgálatban a CERN-ben értek el áttörést. Ezeket később veszem górcső alá. Részletesebben az egyik európai neutrínó együttműködésről szenzációs eredményéről  írok:

2. A legnagyobb energiájú neutrínót észlelték

 Az asztrofizikusok a valaha volt legnagyobb energiájú neutrínót figyelték meg. A részecskét – amely valószínűleg egy távoli galaxisból származott – a Földközi-tenger fenekéhez rögzített köbkilométeres neutrínó teleszkóp (KM3NeT) észlelte. A KM3NeT detektálja a nagy energiájú, elektromosan töltött részecskék, például müonok által kibocsátott fényt. A müonok akkor keletkezhetnek, amikor nagy energiájú neutrínók csapódnak be a Föld légkörébe. 2023 elején egy müont észlelt, amely körülbelül 120 PeV energiával rendelkezett. (Összehasonlításul, a CERN-ben TeV nagyságrendű, tehát 10 ezerszer -100 ezrszer kisebb energiájú részecséket tudnak csak előállítani. ) A részecske energiája, és közel vízszintes pályája alapján a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy valószínűleg a korábban látottaknál több mint 20-szor nagyobb energiájú neutrínó állította elő.

Az eredmény azért is figyelemreméltó, mert a KM3NeT együttműködés még nincs is teljesen kész. Ez jelenleg a világ egyik legnagyobb neutrinókutató hálózata, amelyben 21 ország, 69 intézménye képviselteti magát, főként Európából. Oroszországot 2022-ben kizárták. A jövőben még további eredmények sokasága várható ettől a három Földközi-tengeri mérőhellyel rendelkező együttműködéstől.   

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00444-1?utm_source=Live+Audience&utm_campaign=1bafe94a87-nature-briefing-daily-20250213&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-1bafe94a87-51760676

https://de.wikipedia.org/wiki/KM3NeT

Hogy miért fontos a neutrino kutatás, azt már a 2000-es években egyszer összegyűjtöttem, most ezt a cikket másolom ide. Az utolsó rész Válas György egy tudománynépszerűsítő cikke alapján íródott. Ő fizikus végzettségű  volt, 2007-ben hunyt el. A maga korában egy nagyon jó tudományos újságíró volt, aki figyelte a híreket, és honlapján összegyűjtötte ezeket. 

A neutrinó

A neutrinó létezésének ötletét Pauli vezette be a bétabomlás magyarázatához 1930-ban. A neutrinó, amelynek három fajtája van, rendkívüli áthatolóképességű részecske, az anyaggal alig lép reakcióba. Éppen ezért sokáig,1956-ig nem is sikerült kimutatni. Ekkor Reines  és Cowani egy atomreaktor mellett végre nyakon csípték a titokzatos részecske hatását. Korábban  Szalay Sándor és Csikai Gyula ködkamrában is bizonyítékot talált létezésére, de a vasfüggöny mögötti eredményük nem keltett feltűnést.  Az elmúlt évtizedek alatt azonban a neutrínó titokzatosságából mit sem veszített, és ma is komoly fejtörést okoz a kísérleti és elméleti részecskefizikusoknak egyaránt.

---

Pauli

1930: Pauli feltételezi azt, hogy a béta-bomlás úgy magyarázható, ha a magban van még egy "láthatatlan" részecske, ami a bomláskor energiát és impulzust visz magával. Ennek a részecskének Fermi a neutrinó nevet adja. Pauli elképzeléséhez az alapot a bétabomlás energia-eloszlása adta, ez ugyanis folytonosnak bizonyult. Ez azt jelenti, hogy a kilépő elektron energiája széles sávban mozog. Az energia- és impulzus-megmaradás tétele viszont ezt nem engedi meg. Ebben helyzetben Bohr már arra is hajlott, hogy az energia- és impulzus-megmaradás tételét az atomfizikában ne vegye mindig kötelező érvényűnek, és egy statisztikus értelmezésen törtre a fejét. Pauli magyarázata szerint viszont a bomláskor az elektron és a neutrinó esetről esetre változó arányban osztozik a kezdeti és a végső mag energiakülönbségén. Ez okozza a folytonos energia -eloszlást. Paulinak az az elképzelése viszont, hogy a neutrinó a mag alkotórésze lenne, tévesnek bizonyult. A neutrinó (pontosabban az antineutrinó) a neutron bomlásából keletkezik.

---

Szalay és Csikai

1954: Szalay Sándor Debrecenben készíti el Csikai Gyulával a világhírűvé vált ködkamra felvételét, amellyel a neutrinó létére lehetett következtetni. A neutrinó kimutatását a hiányzó impulzus árulja el a felvételen. A fehér nyíl irányába távozik a nyomot nem hagyó neutrinó. A mérést nagyon megnehezítette, hogy a héliumizotóp rendkívül ritka és nagyon bomlékony. Az előállítását és a mérést egyszerre kellett elvégezni.

---

A Reines -Cowan kísérlet

Reines -Cowan a neutrinó létezését először a hanfordi reaktor melletti kísérletükkel mutatták ki, majd 1956-ban Savannah River Laboratóriumban (Dél-Karolinában) a kísérlet javított változatát is elvégezték. Ennek vázlata látható az ábrán. A reaktornál négyzetcentiméterenként és másodpercenként ezer milliárd antineutrinó repült a céltárgy felé. Óránként csak három eseményt figyeltek meg, ami mutatja, hogy a neutrinó mennyire gyenge kölcsönhatású. A kísérlethez két 400 literes tartályba vizet tettek, a vízben pedig kadmiumkloridot oldottak fel. A rektorból kilépő antineutrinó az alsó tartály egy protonjával ütközik. Ez egy neutront és egy pozitront hoz létre. A pozitron hamarosan elektronnal találkozik, és két gamma foton formájában szétsugárzódnak. Ezt jelzi az első detektor. A keletkezett neutront néhány ms után a vízhez kevert kadmium elnyeli. Az ekkor keletkező gamma fotonokat jelzi a második detektor. A felső tartály a kozmikus sugárzás kiszűrésére van, ha a felső detektor jelez, akkora az alsó automatikusan kikapcsol. (antikoincidencia- kapcsolás) Az elvégzett kísérlet az előzetes várakozásoknak megfelelő folyamatokat produkálta, az oszcilloszkóp ernyőjén számos, a fenti eseménysornak megfelelő jelet tudtak kimutatni. Frederic Reines (1918-1998), aki a Kaliforniai Egyetemről ment nyugdíjába 1988-ban, a fenti kísérletéért 1995-ben Nobel-díjat kapott. (Copwan ezt már nem élte meg)A díjat megosztva kapta Martin Perl-lel, aki a hetvenes évek közepén a tau részecskét fedezte fel.

---

A rejtélyes neutrínó

A leptonok családja, tömege (GeV/c2) és töltése

A felvételen a Berkeley Egyetem neutrínó detektorát látjuk, amelyik a kanadai Sudburyben található, egy mély bányában. A többi híres neutrondetektor is ilyen "egzotikus" helyen van pl. Hawaii partjai előtt 4km mélyen a tengerben, a Bajkál-tóban 1km mélyen, vagy a Gran Sasso hegy alatt átmenő autópálya alagútban, vagy új tervek szerint a Déli Sark jegében. A helyszín megválasztása nem véletlen. A neutrínó rendkívüli áthatolóképességű, az anyaggal alig lép kölcsönhatásba, tehát a föld mélyéig is könnyedén eljut. Ebben a mélységekben azonban a kozmikus sugárzás többi összetevője már elég jól kiszűrhető. A neutrínó közvetlen detektálása ennek ellenére nem egyszerű feladat. Hiába van jelen mindenhol óriási mennyiségben. Egy köbcentiméternyi térben egymillió is található belőlük. Ezeknek a neutrínó kísérleteknek a fő célja kozmoszból érkező neutrínók kutatása. Az "SN 1987A" szupernóva kitörés idején sikerült észlelni először ilyen neutrínókat földalatti detektorokban, ami új korszakot nyitott: a neutrínó-asztronómia korszakát. Reines és Cowen az elektronhoz kapcsolódó neutrínót fedezte fel. Gyorsítás kísérletek nyomán fel kellett tételezni, hogy az elektronhoz kapcsolódó neutrínó-antineutrínó páron kívül, a müonhoz is kapcsolódik egy neutrínó-antineutrínó pár. Ezt 1961-ben sikerült kísérletileg kimutatni Brookhavenben. Addigra azonban már 1957-ben felvetette Bruno Pontecorvo olasz születésű fizikus, hogy az elektronneutrínó és müonneutrínó nem is teljesen különböző részecskék, hanem egyetlen részecske egymásba kölcsönösen átalakulni képes állapotai. Ez a kölcsönös átalakulás elképzelése szerint oszcilláció-jellegű, vagyis egy adott neutrínó haladása során szinuszhullám-szerűen hol az egyik, hol a másik állapotban van jelen, a szinuszhullám csúcsai között pedig kevert állapotban. Ez azonban csak úgy lehetett elméletileg lehetséges, ha a két állapot nyugalmi tömege különbözik egymástól, ami egyben azt is jelentette, hogy legalább az egyik állapotnak zérustól különböző nyugalmi tömege kell legyen. A képet tovább bonyolította, hogy 1974-ben felfedezték a tau-részecskét ( Martin Perl Stanfordban), így fel kellett tételezni, hogy ahhoz is tartozik egy harmadik neutrínó-antineutrínó pár. Gyorsítós kísérletekben a neutrínót általában mindig a látható részecskenyomokból meghatározható energia-, impulzus- és impulzusnyomaték hiány alapján azonosítják. Közvetlenül csak nagyon nehezen, óriási berendezésekkel detektálhatók, mivel csupán a gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, a gyenge kölcsönhatás valószínűsége pedig a kölcsönhatás rövid hatótávolsága miatt olyan csekély, hogy a neutrínó gyakorlatilag kölcsönhatás nélkül hatol át a Föld teljes tömegén is. A neutrínó közvetlen detektálását célzó első kísérlet az 1960-as évek második felében lefolytatott Davis-kísérlet volt. Ennek során azokat az antineutrínókat próbálták meg detektálni, amelyek a Napban lejátszódó termonukleáris reakcióciklus során keletkeznek. A cél az elméleti számítások igazolása volt. Az akkor óriásinak számító berendezésben kálium atommag fogott be antineutrínót, és ennek során radioaktív argon atom keletkezett. Az argon nagyon rossz oldhatósága folytán rendkívül csekély mennyiség, napi néhány atom keletkezése esetén is kihajtható a detektor fő tömegét adó folyadékból, és jellegzetes radioaktív bomlásával detektálható. A berendezés, amelyet vastag földréteg védett a zavaró sugárzásoktól, így kizárólag az elektron-antineutrínókat detektálta, azokat is csak egy meghatározott energiasávban, épp abban, amelyben a Napból érkező antineutrínókat várták. A kísérlet gyors csalódást okozott, mert csak fele annyi antineutrinót észleltek, mint amennyit a Napra vonatkozó számítások alapján vártak. Az egyik lehetőséget az eltérés magyarázatára épp a neutrinóoszcilláció feltételezése adta: ha az elektronneutrinó és a müonneutrinó kölcsönösen átalakulhat egymásba, akkor kellően hosszú út után (márpedig a Nap-Föld távolság kellően hosszú út) az eredetileg elektron-antineutrinónak indult részecskék körülbelül a fele van már csak elektron-antineutrinó állapotban, a másik fele müon-antineutrinó állapotban. Ezt az elképzelést akkor azért vetették el, mert a mérési idő növelésével, a statiszika növekedésével, a mérési pontosság ebből eredő növekedésével kiderült, hogy nem is a fele hanem csak a harmada mérhető az elméletileg várt elektron-antineutrinó mennyiségnek. Így a neutrinóoszcillációhoz, mint a Davis-kísérlet magyarázatához csak akkor lehetett visszatérni, amikor a tau-részecske felfedezésével már három neutrinó-antineutrinó pár szerepelt az elméletben. 1998-ban legalább az egyik neutrinó zérustól különböző nyugalmi tömegére bizonyítékot szolgáltatott a Super-Kamiokande berendezés Japánban, Kamioka városa közelében, egy hegy gyomrában. A detektor a Cserenkov-detektorosak csoportjába tartozik. 1996. április 1-je óta működik. A 22500 köbméteres, ultratiszta vízzel telt rozsdamentes acél tartályt 11146 nagy felületű fotoelektronsokszorozó figyeli, egyenként mintegy 0,5 m katódátmérővel, összesen mintegy 4000 m2 katódfelülettel. Ezt a detektort 600m földréteg mellett egy 4,7 m vastag külső Cserenkov-detektor védi a kívülről jövő sugárzás zavaró hatásától, a külső árnyékoló detektorban további 1885 kifelé néző fotoelektronsokszorozó figyeli a fő detektorba kívülről behatoló, valamint az azt elhagyó részecskéket. A Super-Kamiokande berendezés hármas célt szolgál: az esetleges protonbomlások megfigyelését, a Napból származó elektron-antineutrinók vizsgálatát, és a kozmikus sugárzás hatására a földi légkör legfelső rétegében keletkező neutrinók vizsgálatát. Protonbomlási eseményt eddig nem találtak, a Napból eredő antineutrinók vizsgálatához még nem gyűlt össze elegendő számú esemény. Az itt leírt eredmény a légkör tetején keletkező neutrinók vizsgálatából származik. Az atmoszféra tetejére érve, és az ottani atommagok nukleonjaival ütközve a nagy energiás kozmikus sugárzási részecskék részecske-kölcsönhatások sorozatát, részecskék záporát idézik elő. Az ezek során egyebek mellett keletkező töltött pi-mezonok jelentős része elbomlik, még mielőtt újabb kölcsönhatásba lépne, a pion bomlásából keletkező müon maga is elbomlik. A pozitív pion pozitív müonra és müon-antineutrinóra, a keletkezett pozitív müon pozitronra, müon-antineutrinóra és elektronneutrinóra bomlik. Hasonlóan, a negatív pionból két lépésben elektron, két müonneutrínó és elektron-antineutrinó keletkezik. A keletkező müonneutrinók és -antineutrinók száma tehát kétszerese az elektronneutrinók és -antineutrinók számának. A légkörben, majd a földben minden más részecske kölcsönhatások és esetleges bomlások sorozatában elnyelődik, csak a neutrinók juthatnak el a detektorig, azok viszont minden irányból, tehát a Föld túloldaláról is. A keletkezett neutrinók bizonyos (meglehetősen kicsiny) valószínűséggel kölcsönhatásba lépnek egy kvarkkal a detektor közelében, ennek során az elektronneutrinóból elektron, a müonneutrinóból müon keletkezik, amely néhány méteres utat tesz meg a detektor vizében. Mivel ezek a részecskék a vákuumbeli fénysebességhez közeli sebességgel haladnak, gyorsabbak, mint a fény sebessége a vízben, ezért Cserenkov-sugárzást keltenek. A vizsgálatokhoz azokat az eseményeket választották ki, amelyekben egyetlen elektron vagy müon keletkezett, és az esemény teljes egészében a detektor belsejében játszódott le, vagyis a külső árnyékoló detektor nem adott jelet. Naponta átlagosan 5,5 ilyen esemény észlelhető. A Cserenkov-sugárzást keltő részecske energiája meghatározható a fényinenzitásból, a fajtája meg abból, hogy a müon egyenes úton halad, így éles gyűrűt ad, az elektron sokszorosan szóródik útja során, így a fénygyűrűje elmosódottabb. Ahhoz, hogy a tauneutrinók tau részecskét keltsenek a vizsgált eseményekben kevés az energia, így tauneutrinót még nem észlelt a detektor. A detektor működésének első 535 napján észlelt 4353 esemény alapján megállapították, hogy a müonesemények erős irány- és energiafüggést mutatnak, amíg az elektroneseményekben ilyen függés nem észlelhető. A müonesemények effajta függése azt jelenti, hogy a detektorba bizonyos szögekben, tehát a Föld tömegén áthaladva más-más irányokból érkező müonneutrinók között többet sikerült észlelni. Ez valószínűleg azért van, mert valóban több müonneutrinó érkezik bizonyos irányokból. Alulról mintegy fele annyi müonesemény észlelhető, mint felüliről. Erre számos elméleti magyarázatot végigpróbáltak, de csak egyetlen egy lehetőség felel meg a kísérletileg észlelt szögfüggésnek: az, hogy a müonneutrinók valamilyen (nem elektron-) neutrínóval oszcillálnak a Föld tömegén átvezető hosszú úton. Az oszcillációkban a müonneutrínó párja nem lehet elektronneutrínó, mert az elektronneutrínók száma nem mutat szögfüggést. Az elektronneutrió oszcillációja számára tehát túl rövid a Föld tömegén átvezető néhány ezer kilométeres, legfeljebb 13000 km körüli út. ( A Davis-kísérletben szereplő 150 millió kilométeres Nap-Föld távolság viszont már feltehetőleg elég.) Amivel a müonneutrinó oszcillál, az vagy a tauneutrinó, vagy egy egyesek által feltételezett úgynevezett steril neutrinó, amely semmilyen kölcsönhatásban nem vesz részt, még a gyenge kölcsönhatásban sem. A két lehetőség között dönteni lehet majd az észlelt semleges pionok számának szögfüggéséből. A tauneutrinó, a müonneutrinó és az elektronneutrinó ugyanis azonos valószínűséggel kelt semleges piont, amely nagyon rövid úthosszon, a milliméter töredék részén elbomlik két gamma-fotonra, így a Cserenkov-detektorban jellegzetes átfedő kettős fénygyűrűt hoz létre. Az ilyen kettős gyűrűk eddigi száma (200) és szögeloszlása inkább a tauneutrinót valószínűsíti a müonneutrínó oszcillációs párjaként, de az eddigi eredmény az ilyen események kis száma miatt még nem meggyőző. A neutrinók tehát oszcillálnak, átalakulnak egymásba. Ez pedig a legújabb részecskefizikai elméletek szerint csak akkor lehetséges, ha eltér a tömegük. Ha tehát valamelyikük nyugalmi tömege zérus is, a másik még biztosan tömeggel rendelkezik! A kísérleti eredmény kvantitatív elemzése szerint az észlelt oszcilláció akkor lehetséges, ha a müonneutrinó és oszcillációs párja között a tömegkülönbség 0,07+-0,04 eV, vagyis a két neutrinó közül legalább az egyiknek a nyugalmi tömege legalább ennyi. Ez az elektrontömegnek körülbelül tízmilliomod része. Mivel azonban a neutrinók száma az Univerzumban mintegy 50 milliárdszorosa az elektronok számának, még ilyen kis nyugalmi tömeg mellett is számottevő a neutrinók össztömegére jutó rész a Világegyetem össztömegéből. Ha a későbbiekben az derülne ki, hogy a neutriótömeg jóval nagyobb a most észlelt tömegkülönbségnél, mondjuk, elektronvolt nagyságrendű, az azt jelentené, hogy a neutrinók össztömege domináns részét tenné ki a Világegyetem össztömegének. Ez magyararázhatná talán a hiányzó sötét anyag problémáját is, ahogy azt már a hetvenes években felvetette az orosz Zeldovics, valamint ifj.Szalay Sándor és Marx György. Az utóbbi ismertető Válas György internetes cikke nyomán készült.

Rövid kiegészítés a neutrínó kutatás aktuális állásáról:  Ma már tudjuk, hogy a tömege kisebb , mint 0,12eV , tehát a sötét anyag problémát nem oldja meg, nem teszi ki az Univerzum domináns résztét.