Az "utolsó" részecske is fennakadt a hálón - óriási eredmény a kísérleti fizikában<br/>

A Világegyetem anyagszerkezetét leíró ún. standard modell most már teljesnek látszik: háromévi munka után detektálták az egyetlen hiányzó elemi részecskét, a tau-neutrínót. A biztos Nobel-díj-esélyes felfedezést pénteken jelentették be hivatalosan a Fermilab munkatársai.

2000. július 21.: egy meghatározó fizikai elmélet utolsó darabja is a helyére került. A Chicago melletti Fermilab kutatóinak felfedezése teljessé tette a standard modell által megjósolt elemi részecskék kísérletes megfigyelését. A fizikusok már negyedszázada vadásztak a tau-neutrínóra, amely végül "fennakadt" a Tevatron részecskegyorsító 15 méter hosszú detektorán. A kísérletek legfontosabb elemeinek bemutatása előtt érdemes megismerkedni az anyag szerkezetével, a standard modell részecskéinek világával.

Az anyag szerkezete

Ha kezünkbe veszünk egy marék földet, könnyen szét tudjuk morzsolni. Aprócska, egymással keveredő homokszemcséket kapunk. Ha ezeket megfelelően kicsire őröljük szét, teljesen homogén szemcséket kapunk, olyanokat, amelyekben már csak "egyféle" anyag található. Ezek az ásványi anyagok tulajdonképpen vegyületek, molekulák összességei. A molekulák egy adott fajtájából bármely két példány megszólalásig hasonlít egymásra. Meghatározott geometriai, térbeli struktúrával rendelkeznek. A molekulán belül pontosan lokalizált helyeken ülnek az atomok, a periódusos rendszer elemei. A sok milliárd év alatt, a csillagokban végbemenő drasztikus fúziós folyamatok során keletkezett elemek a csillag felrobbanásakor a világűrbe szóródtak szét. A világon majdnem minden ezekből az atomokból áll. Mi magunk, emberek is.

Nem csoda, hogy a huszadik századig az atomokat valóban oszthatatlan egységeknek vélték. Ám 1911-ben ezt az álláspontot megcáfolta Ernest Rutherford, egy új-zélandi-brit fizikus. Kísérletében egy aranyfóliát alfarészecskékkel bombázott. A fólia mögötti cink-szulfid ernyő megőrizte a fólián áthaladó és az ernyőbe becsapódó alfarészecskék nyomait. Rutherford, miután nyomon tudta követni a részecskék pályáját, azt találta, hogy egynéhány közülük visszapattant a fóliáról, mintha kis golyócskákba ütközött volna. A fólia anyagának eloszlása tehát nem egyenletes - vonta le a következtetést Rutherford -, kisebb gócok találhatók benne. Ezek a gócok, golyócskák voltak az atommagok, amelyek - bár rendkívül kis térfogatban, de - az atom szinte teljes tömegét magukban foglalták.

Az atom tehát nem oszthatatlan. Ernest Rutherford megszerkesztette az ún. Naprendszer-modellt, amely szerint az atommag körül elektronok keringenek (akárcsak a bolygók a Nap körül). Persze egy atommag átmérője csak százezred része a teljes atom átmérőjének. Olyan ez, mintha egy légy lenne egy focipálya közepén, a kezdőkörben.

Ezeket a méreteket szinte már el sem tudjuk képzelni. Éppen ezért elég furcsa lehet számunkra, hogy még az atommagok is tovább bonthatók. Bár a biológia ezekkel az egységekkel már nem foglalkozik - mivel az atommag szétbontásához biológiai léptékeket meghaladó energiák szükségesek - a fizika mégis tovább merészkedett.

Az atom kifelé semleges töltésű, ám benne a töltéseket illetőleg megosztottság van. Az atommag képviseli a pozitív részt, ezt semlegesíti a negatív töltésű elektronfelhő. Az atommag belsejében foglalnak helyet a nukleonok, amelyek pozitív töltésű protonok vagy semleges neutronok lehetnek. Az őket összetartó belső magerő nagyon erős, így az atommagok igen masszív képződmények. Bár a magban összepréselt protonok elektromosan taszítják egymást, a neutronok - anélkül, hogy hozzájárulnának a taszító hatáshoz - segítenek összetartani a rendszert.

Sokáig elfogadott nézet volt, hogy az atomokat alapvetően e három részecske; a proton, az elektron és a neutron alkotja. Mégis kiderült azonban, hogy - bármilyen hihetetlen - a nukleonok még tovább bonthatók.

A protonok és neutronok alkotóelemei a kvarkok. Eddig hat kvarkot ismerünk (s-kvark, c-kvark, b-kvark, u-kvark, d-kvark, t-kvark), ám ebből csak kettő játszik szerepet a stabil anyagfelépítésben (az u- és a d-kvark). Az u- és a d-kvarkok nevüket mozgásuk irányáról kapták (angolul up = fel, down = le). Három kvark alkot egy neutront vagy egy protont. Ha a protont egységnyi pozitív töltésűnek vesszük, akkor az u-kvark kétharmadnyi pozitív, a d-kvark pedig egyharmadnyi negatív töltésű. Két u-kvark és egy d-kvark alkot egy protont, két d-kvark és egy u-kvark egy neutront.

Az atommagban elhelyezkedő kvarkokat az ún. erős kölcsönhatás tartja össze. Minél jobban igyekszünk két kvarkot egymástól elszakítani, ez az erő - mint egy gumiszalag - annál inkább "összerántja" őket. A két kvarkból álló részecskék, a pi-mezonok ezzel szemben rendkívül instabil képződmények. Ennek az az oka, hogy egy kvarkot és egy antikvarkot tartalmaznak, és ez a kettő nagyon hamar megsemmisíti egymást.

A kvarkok között tehát az erős kölcsönhatás hat. Ám magukra a kvarkokra és a belőlük felépülő elektrosztatikailag nem semleges részecskékre hat még egy másik alapvető kölcsönhatás is, az elektromágneses kölcsönhatás.

Azok az elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban, a leptonok. A leptonokból, akárcsak a kvarkokból, hatfélét ismerünk: az elektront, az elektron-neutrinót, a müont, a müon-neutrinót, a tau-részecskét és a tau-neutrinót. Az atomokat tehát két kvark (u-kvark, d-kvark), illetve egy lepton (az elektron) építi fel.

Az erős és az elektromágneses kölcsönhatás mellett a másik két alapvető kölcsönhatás a gravitációs és a gyenge kölcsönhatás. Gravitáció minden tömeggel rendelkező objektumra hat. Így két kvark között is van például kölcsönös gravitációs vonzás, ám rendkívül kicsi tömegük folytán csak jelentéktelen, elhanyagolható. Azok között a részecskék között, amelyek nem kvarkok (így nem hat rájuk az erős kölcsönhatás), és nem is elektromosan töltöttek (ezért nem hat rájuk az elektromágneses kölcsönhatás), még mindig hat egy ún. gyenge kölcsönhatás. Ez az erő képviseli a legkisebb vonzóerőt a négy alapvető kölcsönhatás között.

Az anyagszerkezetet rekonstruálni próbáló standard modell megemlíti még a kvarkok és a leptonok mellett a bozonokat is, amelyeket a kölcsönhatásokat közvetítő részecskéknek tekinthetjük. A gluonok közvetítik az erős kölcsönhatást, a két kölcsönható részecske között ide-oda repülve, szinte "ragasztóanyag" funkciót látva el. A fotonok az elektromágneses köcsönhatás közvetítőrészecskéi. A gyenge kölcsönhatást pedig a weakonok közvetítik (az angol weak = gyenge szóból).

A standard modell szerint a gravitációs kölcsönhatásnak is van közvetítő bozonja, a graviton. Valójában azonban a részecskefizikusok hiába rendeznek hajtóvadászatot a graviton megtalálására, sehogy sem tudják detektálni. Úgy fest, hogy a graviton elmélete hamarosan megdől, és a fizikusok visszakanyarodnak Einstein általános relativitáselméletének gravitációs összefüggéseihez.

Vajon a kvarkok, leptonok, bozonok még tovább bonthatók? Amikor az anyag legapróbb építőkockáit keressük, olyan, mintha egy legó-játékot játszanánk.

Münz Márton Kozmológia honlapjáról, a szerző engedélyével


Neutrínók: "szellem-részecskék"

1930-ban Wolfgang Pauli feltételezi, hogy az újonnan elvégzett kísérletekben, a neutronok bomlásakor az "elvesző" energiát és impulzusmomentumot egy addig ismeretlen, elektromos töltés nélküli részecske, a neutrínó viszi el. Ekkor még úgy gondolják, hogy a neutrínók nyugalmi tömege zérus. Azonban amikor Frederick Reines és Clyde Cowan kísérletileg is igazolni tudja a neutrínók létezését, már erős kétségek merülnek föl ez iránt a feltételezés iránt.
Időközben gyorsítós kísérletek nyomán fel kellett tételezni, hogy az elektronhoz kapcsolódó neutrínó-antineutrínó páron kívül ( amelyeket elektronneutrínóknak neveznek ), a müonhoz ("nehéz elektronhoz") 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 szinuszhullámszerűen 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 ("szupernehéz elektron"), így fel kellett tételezni, hogy ahhoz is tartozik egy harmadik neutrínó-antineutrínó pár.

A háromféle neutrínó igen furcsa részecske. Óriási mennyiségben vannak jelen mindenhol, egy köbcentiméternyi térben egymillió található belőlük. Nem tudnak elbomlani, és leptonoknak számítanak, azaz olyan elemi részecskéknek, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban. Nagyon gyengén hatnak kölcsön az őket körülvevő anyaggal, szinte mindenen áthatolnak, és éppen ezért nagyon nehezen detektálhatók. Gyorsítós kísérletekben a neutrínót általában mindig a látható részecskenyomokból meghatározható energia-, impulzus- és impulzusnyomaték-hiány alapján azonosítják. Közvetlenül csak nagyon nehezen, óriási berendezésekkel deketektálhatók, 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.
(Válas György cikke nyomán)

A tau-neutrínó leleplezése

Az "utolsó részecske" megtalálásra indított kísérletsorozatban (Donut ["fánk"] - Direct Observation of the Nu Tau, vagyis a tau-neutrínó közvetlen megfigyelése) amerikai, japán, dél-koreai és görög tudósok 54 fős csapata vett részt. 1997-ben a Fermilab Tevatron részecskegyorsítójában 800 GeV-os protonsugár használatával intenzív tau-neutrínósugarat produkáltak, amelyet a Donut kísérleti berendezésen engedtek keresztül. A neutrínók zöme bármiféle nyom nélkül hatolt át a célpont vaslemezekből és emulziós rétegekből álló anyagán, de minden 10¹² (milliószor millió) darabból egy kölcsönhatásba lépett az ott lévő vasatomokkal. Ennek hatására a tau-neutrínóból tau-részecskék keletkeztek, amelyek már jellegzetes, kb. 1 mm hosszú nyomokat hagytak a detektor emulziós rétegeiben.

A kutatóknak három évükbe tellett, míg megbízhatóan azonosították a tau-részecskék és elbomlásuk nyomait. A kísérletsorozat során több mint 6 millió lehetséges kölcsönhatási eseményt rögzítettek, s ebből végül 4 olyan akadt, amely bizonyítékként szolgált a tau-neutrínók létezésére. Jellemző, hogy egyetlen tau-neutrínó esetében mintegy 1 fényév vastag céltárgy kellene ahhoz, hogy elfogadható valószínűséggel következzen be egy másik részecskével (kvarkkal) való kölcsönhatás. Ezt a nehézséget kerülik ki úgy, hogy sok neutrínóból álló, nagy energiájú sugarat bocsátanak a jóval kisebb céltárgyra.

2000. július 7.: az utolsó eredmények egyeztetése

Az eredmény óriási siker az anyagtudományok terén, s a fizikusok szerint biztos Nobel-díjat jelent - akárcsak a másik két neutrínó detektálása (elektron-neutrínó: 1995 és müon-neutrínó: 1988). "Végre közvetlen bizonyítékokkal rendelkezünk arra, hogy a tau-neutrínó létezik, az anyag egyik építőkockája, és a standard modell által megjósolt módon kerül kölcsönhatásba más elemi részecskékkel" - mondta Byron Lundberg, a Donut szóvivője.

[origo]

Ajánló:

A teljes sajtóanyag további képekkel a Donut honlapján. A neutrínófizika történelmi lépései (angol). Kozmológiai jelentőségű részecskefizikai felfedezés a Super K-ban. A Fermilab honlapja.