A természet szellemrészecskéi

A neutrínók bámulatba ejtő szellemrészecskék. Testünk minden négyzetcentiméterén másodpercenként 60 milliárd, elsősorban a Napból származó neutrínó száguld keresztül, miközben ebből semmit sem veszünk észre. A 60 milliárd neutrínóból rendszerint egyetlen egy sem lép kölcsönhatásba atomjainkkal. Többségük akár egy fényévnyi vastag ólomrétegen is átjutna változatlanul. Kimutatásukra ezért kell hatalmas észlelőrendszereket építeni.

A cikk szerzői, E. Kearns, T. Kajita és Y. Totsuka Japánban a Szuper- Kamiokande (Szuper-K) rendszerrel dolgoznak. Az Ikenoyama hegy mélyén működő cinkbányában rozsdamentes acéltankban ötvenezer tonna rendkívül tiszta vizet tárolnak. Egy uszoda vizében néhány méteren belül már elnyelődik a fénynyaláb fele, a neutrínó-detektorban azonban csak 70 méter megtétele után csökken felére a nyaláb intenzitása, ennyit számít a víz tisztasága. Ha egy gyors neutrínó atommagnak ütközik, akkor ún. Cserenkov-sugárzás lép fel. A kölcsönhatás során kilépett töltött részecske, elektron vagy müon, a fénynél gyorsabban mozog a vízben, ezért bocsátja ki a Cserenkov-sugárzást. (Ez nem sérti a relativitáselméletet, hiszen csak a vákuumbeli fénysebességet nem lehet túlhaladni. A vízben a fény vákuumbeli sebességének 75%-ával mozog, ezért egy elektron vagy müon gyorsabb lehet nála.) A Cserenkov-sugárzás kék fényét fényérzékeny fotoelektronsokszorzók észlelik, s a fényimpulzus elektromos jelként jelenik meg a kimeneten. A vízzel teli tankot 11 ezer, óriási villanykörtére emlékeztető fotoelektronsokszorozó veszi körül oldalról, alulról és felülről. Az egyenként fél méter átmérőjű üvegburák egytől-egyig kézimunkával készültek. Ez a hatalmas detektorrendszer is évente csak néhányat képes észlelni a rajta átszáguldó rengeteg neutrínóból.

A Szuper-K-ban a neutrínó-atommag kölcsönhatásban keltett töltött részecskék rendszerint csak néhány métert tesznek meg a vízben, kúpalakban kibocsátott Cserenkov-fényük fénygyűrűként éri el a fotoelektronsokszorzókat a tartály falán. A fénygyűrű mérete, alakja, intenzitása jellemző kibocsátójára, ezért a rendszer képes az elektronok és a müonok által keltett fényjelek megkülönböztetésére. Az észlelt fényből visszaszármaztatható az elektron vagy a müon energiája, mozgásának iránya, ez pedig jó közelítésben megegyezik az eredeti neutrínó jellemzőivel. A harmadik fajta neutrínót, a tau-neutrínót a Szuper-K csak akkor képes észlelni, ha annak elegendően nagy az energiája.