Felboríthatja fizikai tudásunkat egy új felfedezés – Ha nem mérési hiba az egész

Hamarosan eléri a nyílt óceánt a világ legnagyobb jéghegye
2020-02-08
Kevésbé lesz okos a képernyőfüggő óvodás? – Az biztos, hogy rosszabbul teljesítenek a teszteken
2020-02-10

A rovat támogatója:

Felboríthatja fizikai tudásunkat egy új felfedezés – Ha nem mérési hiba az egész

Eddig soha nem látott részecskéket észleltek az Antarktisz felett, megdőlhetnek a fizikai törvények. A fizikusok ilyenkor óvatosságra intenek. Több szenzációsnak kikiáltott felfedezés hátterében ugyanis mérési hibák voltak.

Január elején került fel egy kézirat az egyik legnagyobb, tudományos cikkeknek otthont adó szerverre, amely beszámol két olyan részecskéről, amik nem akarnak engedelmeskedni a fizika jelenlegi játékszabályainak.

Ezek a lázadó részecskék az Antarktisz felett majdnem 40 km-rel lebegő ANITA (Antarktiszi Impulzív Tranziens Antenna) detektorba csapódtak be a műszer eddigi több mint hét éves pályafutása során.

Ez a késlekedés nem szokatlan a komplex mérőműszereknél, ahol egy részecske detektálása nem azonnali, mint egy fotó, először csupán egy kusza adathalmaz, amelyből később, bonyolult számításokkal lehet kibogarászni, hogy mi is történhetett.

A szóban forgó részecskék neutrínók, amelyek detektálása önmagában is nehézkes, hiszen a protonokkal és elektronokkal ellentétben nincs elektromos töltésük, nem vesznek részt az atommagokat összetartó nehéz kölcsönhatásban sem, sőt tömegük is szinte mérhetetlenül kicsi. Mivel egy részecske csak akkor mutatható ki, ha valamilyen fizikai kölcsönhatásban részt vesz, a neutrínókat észlelni roppant nehéz. Szemszögükből az egész Föld olyan mintha ott sem lenne, egyszerűen átsuhannak rajta. Annyira észrevehetetlenek, hogy nekünk sem tűnik fel, hogy másodpercenként százbillió halad át a testünkön.

A szóban forgó mérőműszer sem képes közvetlenül érzékelni azokat, de a nyomaikat igen. Itt válik világossá, hogy miért pont az Antarktisz felett lebeg a detektor.

A jégtakarón átsuhanó részecskék ugyanis képesek gyorsabban száguldani, mint a fény terjedési sebessége – jégben. Ez fontos megkülönböztetés, hiszen Einsteinnek köszönhetően tudjuk, hogy a vákuumbeli fénysebesség nem léphető át, de más közegekben (azaz nem vákuumban) ez a sebesség alacsonyabb, ami átléphető.

A jelenség hasonló ahhoz, mint amikor egy vadászgép átlépi a hang terjedési sebességét és hangrobbanás következik be. A neutrínók nem robbanást hoznak létre, hanem útjukban másodlagos részecskéket keltenek a jégben, ez az úgynevezett Askaryan-sugárzás. Ezeket a neutrínó-nyomokat képes mérni az ANITA műszer.

Az Anita műszer az Antarktiszon

Így találták azokat a neutrínókat is, amelyek jelenleg a fejtörést okozzák a fizikusoknak. Ez a két részecske ugyanis jóval nagyobb energiával rendelkezett, mint a többi amit ezidáig találtak, ráadásul nyomaik arra engednek következtetni, hogy először áthaladtak a Földön és onnan csapódtak a jégbe, majd a hátramaradt sugárzás a detektorba. Ez a szokatlanul nagy energia bolygathatja meg a részecskefizikát.

A nagyenergiás neutrínók ugyanis kisebb eséllyel suhannak észrevétlenül, mint az alacsonyabb energiájúak, a jelenlegi ismereteink szerint egy ilyen gyors neutrínó képtelen lenne pár száz kilométernél mélyebbre ásni magát a Földben, nem hogy áthaladni azon.

Ilyen neutrínók a részecskefizikát a legátfogóbban leíró Standard Model szerint nem létezhetnének, ezért kezdett el mozgolódni a tudományos élet. A kutatók viszont egyelőre nagyon óvatosak, a jelenséget leíró cikk mögött ugyan több éves kutatás és több száz kutató áll, s először át kell rágni magukat minden más lehetséges magyarázaton, mielőtt kikiáltják az új fizikát. Óvatosságuk érthető, hiszen hatalmas botrányt kavart, amikor néhány évvel ezelőtt a Svájcból Olaszországba tartó részecskék sebességét először a (vákuumbeli) fénynél gyorsabbnak mérték, majd kiderült, hogy csupán mérési hibák okozták a hamis felfedezést.

Abban az esetben is neutrínók voltak a felelősek a botrányért. Ezen részecskék tömege ugyanis annyira alacsony (500,000-szer könnyebbek mint a már így is pehelykönnyű elektronok), hogy sokáig tömeg nélkülinek tartották őket. Ha ez lett volna a helyzet, akkor nem meglepő, ha képesek fénysebességgel száguldani, hiszen a fényrészecskék, a fotonok is így tesznek. Óriási különbség van viszont a “majdnem nulla” és a valódi nulla tömeg között, így a neutrínók jelenlegi tudásunk szerint “majdnem, de mégsem nulla” tömegükkel soha nem érhetnék el, vagy léphetnék át a fénysebességet. Az olaszországi Gran Sasso laboratóriumba becsapódott neutrínók viszont először úgy tűnt, hogy mégis ezt tették, az izgatott kutatók pedig gyorsan – és talán meggondolatlanul – publikálták az eredményeiket, hiszen így ők lehettek volna azok, akik megcáfolják Einstein közel száz éves elméletét. A cikk elhamarkodott publikálása után és a bizonyítékok többszöri átvizsgálása után derült ki, hogy egyszerű mérési hiba történt, Einsteinnek – legalábbis egyelőre – még mindig igaza van.

Hasonló, de kevésbé botrányos eset volt az úgynevezett “GSI anomália”. 2007-ben a darmstadti GSI kutatólaboratóriumban fedeztek fel olyasmit, amit nem tudtak beleilleszteni fizikai tudásunkba. Az intézet egyik feladata a radioaktív izotópok vizsgálata, igyekeznek feltérképezni, hogy milyen gyorsan, azaz milyen felezési idővel bomlanak a nehéz részecskék. Mivel a legtöbb elem esetében ez már egy biztos tudás, így a kutatóintézet egzotikus részecskéket vizsgál, a periódusos rendszer legalján. A GSI a prazemodímium (59Pr) és a prométeum (61Pm) izotópjait vizsgálta, melyek a hétköznapi életben nem a legfontosabb elemek, viszont kutatások fontos a csillagokban zajló folyamatok megértéséhez.

Ezeknek az elemeknek a lehető legpozitívabb töltésű ionjait vizsgálták, azt az állapotot, amikor minden egyes elektront leszakítottak róluk. A GSI kutatócsoportja olyan alacsonynak mérte a felezési idejüket, ami nem volt beilleszthető a radioaktív bomlást leíró elméletekbe, úgy sejtették, felfedezhettek valami mélyebb jelenséget – talán már nem is meglepő, hogy ők is először a neutrínókat tették felelőssé. A 2007-es első eredmények után több mint 50 cikk próbálta különböző magyarázatokkal feloldani az ellentmondást és megfejteni, hogy mi is történhetett. Végül egészen tavalyig kellett várni arra, hogy kiderüljön, a probléma statisztikai hibákban rejlett, a fizikai valóságban nem történt megmagyarázhatatlan esemény.

Nem csoda, hogy a kutatók könnyen esnek ezek be a hibákba, hiszen az anomáliák a legerősebb mozgatórugói is lehetnek a tudomány fejlődésének Lord Kelvin 120 évvel ezelőtt tartotta híres előadását, ahol két anomáliáról, vagy saját szóhasználatával két “sötét felhőről“ beszél, amelyek beárnyékolják a fizikai tudás teljességét. Az egyik felhő az éter bizonyításának sikertelensége, a másik pedig a feketetest-sugárzás, más néven ultraibolya katasztrófa volt. Ha ezek nincsenek, a fizikai tudásunk teljes – gondolták akkoriban.

Ezekről a jelenségekről viszont nem az derült ki, hogy mérési hiba vagy épp rossz kísérlet eredményei lennének, hanem egy teljesen új tudományágnak, a kvantumfizikának voltak az előfutárai. Azok az anomáliák feje tetejére állították a tudományt és új fizikát hoztak létre, így nem csoda, hogy manapság is számos kutató reménykedik titkon abban, hogy ilyesmit talál.

Az anomáliák kis részben visszavetik, de hosszútávon erősítik a tudományt. A fénynél gyorsabb neutrínók elbukásakor a kutatók rengeteg kritikát kaptak és kissé meg is rendülhetett a bizalom, de valójában győzedelmeskedett a tudomány: a kutatói közösség úgyis addig és addig boncolja az új elméleteket amíg a végén akárhogy is, cáfolással vagy bizonyítással, de közelebb kerülünk az igazsághoz.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük