A fizika nagy kérdései gyakran összesűríthetők egy-két önmagában érdektelennek tűnő kérdésre, melyek végül az egész világképünket felforgathatják. Ilyen például a következő: van-e a neutrínóknak tömege?

A neutrínó egy olyan részecske, amellyel hétköznapi életünk során nem kerülünk kapcsolatba, annak ellenére, hogy csak a hüvelykujjunkon több milliárd halad át másodpercenként. Sőt, jelenlegi ismereteink szerint csak egy gyakoribb részecske létezik náluk, a foton, azaz a fényrészecske, ennek ellenére azokat sem vettük észre néhány évtizeddel ezelőttig. Az, hogy a fullasztó neutrínó-zápor cseppet sem zavar minket, több fizikai folyamat együttes eredménye.

Ahogy a Sötét Anyagnál is kifejtettük csak akkor “látunk” valamit, ha azzal valamilyen fizikai kölcsönhatásba tudunk kerülni. Ebből a négy (esetleg 5) kölcsönhatásból a neutrínó nagyon kevésben vesz részt, így több “érzékszervünk” elől rejtve marad. Nem vesz részt az elektromágneses és az erős kölcsönhatásban, ezekkel tehát nem érzékelhetjük. Marad a gyenge kölcsönhatás, amelyben viszont részt vesz. Ez a kölcsönhatás felel az atomok radioaktív bomlásáért, amely az egyik fő forrása is a neutrínóknak.

a Sudbury Neutrino Obszervatórium

Egy neutron radioaktív, negatív béta-bomlással esik szét egy protonná, egy elektronná és egy antineutrínóvá, így biztos, hogy az ezt kormányzó gyenge kölcsönhatásban részt vesz a neutrínó (és az antineutrínó).

Marad még a negyedik kölcsönhatás, a gravitáció, amely a részecskefizikában egy igazi kakukktojás. Olyannyira, hogy a részecskefizika egyik legfőbb “szabálykönyvének” tartott Standard Modell, amely leírná a különböző részecskék viselkedését, nem is számol vele. A neutrínók tömegének esetén viszont kifejezetten fontos. Ahhoz ugyanis, hogy valami részt vegyen a gravitációban, rendelkeznie kell tömeggel. A neutrínók pedig nem csak az ujjainkon, de a részecskedetektorokon is észrevétlenül haladnak át, így a fizikusok húsz évvel ezelőttig azt is gondolták, hogy valószínűleg nincs tömegük. Hiszen minél kevesebb kölcsönhatásban vesznek részt, annál inkább szellemként viselkednek, annál lehetetlenebb velük kapcsolatba kerülni.

Ha viszont van tömegük, akkor elkerülhetetlen, hogy nagy ritkán csak ütközniük kell a hüvelykujjunkban található atommagok valamelyikével.

Ilyen ütközés pedig valóban történik. A neutrínó képes eltalálni az atommagokat, sőt akár radioaktív bomlást is képes létrehozni, de ennek az esélye majdnem teljesen nulla. Olyannyira, hogy egyetlen neutrínó az egész Földön anélkül halad át, hogy akár egyetlen ütközés is történne, sőt, egy neutrínónak több mint egy fényév vastag ólomfalon kéne átmennie ahhoz, hogy biztosan megtörténjen egy ilyen ütközés. Viszonyításképp, a Nap tőlünk nyolc fénypercnyire van. A neutrínó tömeg esetében a hangsúly a “majdnem teljesen”-en van, mert részecskefizikában óriási különbség van a nulla és a majdnem nulla között.

neutrino detektor

Az ütközések ritkasága egyrészt annak köszönhető, hogy a személyes tapasztalatainkkal ellentétben az anyag túlnyomó részében nincs semmi: az atommagok mérete az atomok méretéhez képest elenyésző, így a fent említett hüvelykujjunk is atommagokat körülvevő üres térből áll. Ezen üres téren áthaladó neutrínó pedig olyannyira apró, hogy egy ütközés esélye szinte – de nem teljesen – nulla. A neutrínók tömege így maximum az elektron tömegének egymilliomod része, de megmérni ezidáig nem sikerült.

Azért maximum ennyi, mert – hogy még bonyolítsuk a képet – több különböző fajtája létezik ezeknek a részecskéknek, név szerint elektron neutrínó, müon neutrínó és tau neutrínó – ezek összegének tömege is szinte elhanyagolhatóan kicsi. Az össztömeg mérése annak köszönhető, hogy a három típus nagyon szoros kapcsolatban áll egymással. Olyannyira szoros kapcsolatban, hogy képesek egymásba alakulni, sőt ezt folyamatosan teszik is. Egy elektron neutrínó képes tau neutrínóvá alakulni, majd müön neutrínóvá és így tovább, ennél fogva nem csak a szellem, de az alakváltó jelzőt is rájuk akaszthatjuk. A neutrínó típusa tehát pulzál – ez olyasmi, amelyet más részecskéknél nem tapasztalhatunk.

Egy ennyire szokatlan jelenség hátterében nem meglepő módon kvantummechanikai folyamatok állhatnak. Egy neutrínó jellege és tömege három különböző neutrínó fajta folyamatos egymásba alakulásának eredménye. Ez leginkább a hullám jelleghez kötődik. A neutrínó típusok, mintha hajszálnyit el lennének hangolva egymáshoz képest, így amikor egyszerre „hullámzanak”, egy vibrálás, egy új hullám jelenik meg. A pulzáló neutrínók ezt a hullámot meglovagolva váltogatják típusukat.

Ez pedig egy olyan jelenség, amelyet a fizikusok meg is figyeltek. A hüvelykujjunkat „lyuggató” neutrínók nagy része a Napból származik és számos neutrínó kísérlet ezeket a napneutrínókat méri. Ott viszont kizárólag elektron neutrínók keletkeznek. Elméleti számítások alapján tudtuk, hogy mennyi elektron neutrínó keletkezik a Napban és azt is, hogy a neutrínókat érzékelő detektoraink hány elektron neutrínót képesek megfigyelni, ennek ellenére következetesen harmadannyi volt a mért eredmény. Erre jó magyarázatot ad az oszcilláció, hiszen a Napban keletkezett neutrínók kétharmada abban a pillanatban, amikor áthalad a detektorunkon, épp müön, vagy tau neutrínó, így nem vesszük észre. A neutrínóoszcilláció pedig a jelenlegi elméletek szerint nem jöhetne létre akkor, ha a neutrínók tömege valóban nulla lenne.

A neutrínók tehát rendelkeznek tömeggel és nagy nehezen, de detektálhatók – annyira ritkán, hogy amikor történik egy neutrínó érzékelés, annak a részecskének általában becenevet is adnak, mint ahogy az a 2014-ben talált, Szezám utca-i karakterről elnevezett Big Bird nevű neutrínóval történt.

Az ezer méterrel a föld alatt elhelyezkedő Japánben lévő 41 méter magas Kamioka Neutrino Detektor 50 ezer tonna ultratiszta vizét 11 ezer fotoelektron-sokszorozó veszi körbe.

Az ilyen események gyakoriságát évente kevesebb, mint százra becsülik, érthető tehát ilyenkor a fizikusok lelkesedése.

Ezen részecskék kutatása elképesztő, új lehetőséget nyit meg a tudósok előtt A neutrínók képesek az egész ismert Világegyetemet átszelni anélkül, hogy bármi történne velük, azaz a lehető legtávolabbi helyekről – és legkorábbi eseményekről – hoznak hírt. A neutrínók szellem jellege viszont áldás és átok egyszerre, hiszen nem csak a Világegyetemen, de neutrínó detektorainkon is jórészt megállás nélkül suhannak át anélkül, hogy megvizsgálhatnánk őket. Nagyobb hatásfokú – egyelőre tervezés szintjén létező – detektorok esetén viszont szerencsével egyre több neutrínót kaphatunk majd el és ismerhetjük meg évmilliárdos utazásának történetét.