A neutrínó adatai Részecskecsalád fermion Csoport lepton Antirészecske antineutrínó Elméleti felfedezés 1930 Kísérleti kimutatás 1956 Jele , és Típusai 3 típus:elektron-, müon-és tau-neutrínó Elektromos töltés 0 Színtöltés 0 Hipertöltés −1/2 Spin () 1/2
A neutrínó a leptonok közé tartozó könnyű elemi részecskék egyik fajtája. A részecskék világában nem jelentős gravitációt kivéve csak gyenge kölcsönhatásban vesz részt, erős kölcsönhatásban nem mutatható ki. Elektromos töltése nincs, semleges (innen a neve is, melynek jelentése olaszul ’semlegeske’), emiatt elektromágneses kölcsönhatásban sem vesz részt. Ez a magyarázata annak, hogy a neutrínó rendkívül közömbös az anyaggal szemben, azaz a kölcsönhatás (ütközési) hatáskeresztmetszete igen kicsi, s egy fényév vastag ólomfalon a neutrínóknak mintegy fele haladna át. Eme tulajdonságuk jelentős mértékben megnehezíti, hogy kísérleti úton észlelni tudjuk őket, mert a kimutatás alapja valamely kölcsönhatás. A kölcsönhatási valószínűség ugyanakkor erősen függ a neutrínó energiájától: ennek következtében az is erőteljesen nő. Amikor a nagy energiájú neutrínó kölcsönhatásba kerül az anyaggal, általában töltött lepton keletkezik, ehhez hasonló folyamat felelős a hadronok gyenge bomlásaiért is. A pozitív pion bomlása során például a pionban lévő kvark–antikvark pár megsemmisül, és ennek során egy müonból és egy müon-antineutrínóból álló pár keletkezik. A különböző típusú neutrínók – és vele a részecskecsaládok – számának megállapítására legjobb módszer a Z-bozon bomlásának vizsgálata. Ez a részecske többféle neutrínóra és azok antineutrínójaira bomlik.
Tulajdonságai A neutrínók a fermionok (anyagi részecskék) közé sorolhatóak, spinjük feles (). Minden vizsgált neutrínó kiralitása balkezes.
Típusai + Neutrínóka Standard modellben Fermion Jelölés Tömeg 1. generáció (elektron) Elektron-neutrínó < 0,165 eV Elektron-antineutrínó < 0,165 eV 2. generáció (müon) Müon-neutrínó < 170 keV Müon-antineutrínó < 170 keV 3. generáció (tau) Tau-neutrínó < 18 MeV Tau-antineutrínó < 18 MeV
A neutrínóknak 3 típusa van: elektron-neutrínó (), müon-neutrínó () és tau-neutrínó (). Nevük onnan ered, hogy a standard modell szerint mindegyik kapcsolatba hozható egy másik – negatív töltéssel rendelkező – leptonnal: az elektronnal, a müonnal, ill. a tau-részecskével. A neutrínó típusainak száma, a legújabb mérések szerint, a W- és Z-bozon bomlásából állapítható meg. A CERN-beli nagyenergiájú elektron-pozitron ütközésekben kimutatták, hogy a keletkező Zo-bozon nyugalmi energiájának lehetséges értéktartománya háromfajta neutrínó-antineutrínóra történő
bomlást enged meg. Negyedik fajta neutrínó tehát nem létezik.
Tömeg A leptonbomlási folyamatok spektrumának alakjából – az energia- és lendülethiányból – következtethetünk a neutrínók tömegére, amelyekre a következő értékek adódnak A későbbi kutatások során kiderült, hogy a direkt tömegméréseknél jobb eredményeket lehet kapni a neutrínóoszcillációs kísérletekkel. A neutrínók tömegére elméleti úton is következtethetünk, a kozmológiai standard modell ugyanis felső határt szab annak.
2010. júniusi számítások szerint, amelyek a galaxisok csoportosulását vették alapul, a neutrínó tömege 0,28 elektronvoltra – egy hidrogénatom egymilliárdod részére – adódik.Megmérték a titokzatos neutrínó tömegét (Index, 2010. június 24.)
A Planck műhold 2018-as adatai alapján a tömeg 165 meV alatti.https://doi.org/10.1051%2F0004-6361%2F201833910
Története, kronológia A neutrínó létezését először Wolfgang Pauli tételezte fel 1930 végén, hogy a béta-bomlás folytonos energiaspektrumát megmagyarázza. A gondolat először híressé vált, 1930. december 4-én kelt levelében jelent meg. A neutrínók nélkül nem teljesült volna az energia- és perdület-megmaradás törvénye.
1946-ban Bruno Pontecorvo javasolta, hogy a Nap-neutrínókat klórtartalmú anyag (perklór-etilén, C2Cl4) segítségével detektálják. 1953-ban Jakov Zeldovics, Emil Konopinski és Marx György egymástól függetlenül felismerik a leptontöltés megmaradási törvényét. 1954-ben Szalay Sándor és Csikai Gyula kimutatták közvetett módon a neutrínó létezését. A gyorsan bomló hélium-6 izotóp bomlásakor sikerült lefényképezni, hogy nem csak energia, hanem impulzus is hiányzik. (A kísérlet eredetileg a paritássértést cáfolta volna.)Raics: Atommag- és részecskefizika
bélyegkép|jobbra|200px|Az első neutrínóészlelés egy hidrogén buborékkamrában (1970)
1956: A neutrínók közvetlen kimutatása protonokon kiváltott inverz béta-bomlásuk alapján. Frederick Reines, Clyde Cowan, F. B. Harrison, H. W. Kruse és A. D. McGuire közzétették cikküket a Science-ben „Detection of the Free Neutrino: a Confirmation” (A szabad neutrínó kimutatása: igazolás) címmel. 1995-ben Reinest a neutrínó felfedezéséért Nobel-díjjal tüntették ki.Marx György: A századforduló világsztárjai: a neutrínók. Fizikai Szemle 2002. 7. sz. 1957-ben Bruno Pontecorvo felvetette a neutrínóoszcilláció lehetőségét. 1960-ban William A. Fowler amerikai asztrofizikus olyan napszerkezeti modellt dolgozott ki, amely nagyszámú neutrínó keletkezését jósolja meg a termonukleáris folyamatok során. 1961: A müon-neutrínó felfedezése a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban. 1962-ben a Leon Max Lederman, Melvin Schwartz és Jack Steinberger által vezetett kétneutrínó-kísérlet kimutatta, hogy nem csak egyféle neutrínó létezik. Elsőként sikerült detektálni a müon-neutrínó kölcsönhatásait; e kutatásokért a három fizikus 1988-ban megosztott Nobel-díjat kapott. 1963-ban Egyed László geofizikus felállított egy – a Föld átmérőjének növekedésére vonatkozó – hipotézist. Feltételezte, hogy a folyamat oka a radioaktivitás. 1966-ban Gernot Ede részletes számításokat végzett a geoneutrínók detektálására vonatkozóan. 1968: A Davis-kísérlet kezdete. A napneutrínók első érzékelése perklór-etilént tartalmazó detektorral. 1974: A tau-neutrínó felfedezése (Fermilab, USA). Gyorsítós kísérletek során rámutattak arra, hogy az elektron-, müon-, és tau-neutrínók az elektron, müon, ill. a tau-részecske bomlása során keletkeznek. A tau-neutrínó felfedezésével vált teljessé a részecskefizika standard modellje. 1975: Marx György és Szalay Sándor – kozmológiai elméletek alapján – megállapítja a neutrínó tömegének felső határát. 1985: A Kamiokande-detektor átépítése. A detektor nagyobb mérőtérfogata lehetővé tette a kozmikus eredetű neutrínók detektálását is. 1987: augusztusban a Super-Kamiokande detektor – Kosiba Maszatosi vezetésével – elsőként detektált szupernóvából (SN 1987A) származó neutrínókat. 1991: Megkezdte működését a GALLEX detektor (Gran Sasso, Olaszország). 1992: A SAGE kísérlet kezdete. 1996: Megkezdte működését a japán Super-Kamiokande neutrínódetektor. 1998: A GALLEX kísérlet folytatásaként megépül a GNO (Gallium Neutrino Observatory – Gallium Neutrínó Obszervatórium), az újgenerációs galliumkísérletek egyike. 1998: A neutrínóoszcilláció kimutatásával a Super-Kamiokande azt is kimutatta, hogy legalább az egyik neutrínótípusnak kell hogy legyen tömege. (Légkörben keletkezett neutrínókat észlelt.) 1999: Megkezdte működését a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatórium (SNO), amely napjainkban a világ legfejlettebb neutrínó-obszervatóriuma. 2001-ben az SNO hivatalos közleményben erősítette meg a neutrínóoszcilláció létezését. 2002: Raymond Davis Jr. és Kosiba Maszatosi megosztott fizikai Nobel-díjat kaptak a kozmikus neutrínók kimutatásáért.
Napneutrínó-probléma, neutrínóoszcilláció
Sokáig nem tudták, miért mérünk kevesebb (elektron)neutrínót, mint amennyinek a Nap működésének modellje szerint a magban keletkeznie kell. A kísérletileg észlelt neutrínók száma közel harmada az elméleteink által megjósoltnak. A kísérletekből egyértelműen kimutatták, hogy nem mérési hiba okozza, továbbá a tapasztalt hiány egyaránt jelentkezett a kozmikus sugárzás, és a napneutrínók mérésénél is. Ezt nevezik napneutrínó-problémának (Solar Neutrinos Problem, Solar Neutrino Puzzle – SNP). Mint utólag (kilencvenes évek) kiderült, nem csak az összneutrínó-fluxus, hanem a relatív fluxusok értéke sem egyezik a standard napmodell által jósolttal. Alig detektáltak a 7Be-mag elektronbefogása után keletkező neutrínót, ezzel szemben jelentős számmal mértek a 8B-mag bomlásából. Ez ellentmondásban van a proton-proton ciklus lezajlásáról alkotott elképzeléseinkkel, miszerint 8B-magok nem keletkezhetnek 7Be-magok nélkül. A napneutrínó-probléma megoldására számtalan hipotézis/lehetőség felvetődött, például:
Nem ismerjük kellőképpen a termonukleáris reakciókban szereplő hatáskeresztmetszetek értékeit, vagyis ezeket újra meg kell mérni, különösen az elágazási pontoknál találhatóakat. A meghatározó hatáskeresztmetszetek a következők: 1. σ(³He + ³He), 2. σ(³He + 4He), 3. az elektronbefogás gyakorisága a 7Be-ben és 4. a 7Be + p+ reakció hatáskeresztmetszete. Változtatnunk kell a standard napmodell bemenő fizikai paraméterein (például kor, luminozitás, felszíni kémiai összetétel, opacitásérték). Hibás a standard napmodell, a neutrínófluxusok számításnál nemkonzervatív napmodellekkel kell dolgoznunk. Ami elsősorban a Nap kémiai összetételét jelenti: az égési zóna nem tartalmaz héliumot. Ennek magyarázatára több elképzelés is felvetődött. 1. A Nap fejlődésének kezdeti szakaszán végbemehetett a kémiai elemek súly szerinti elkülönülése, ami egy passzív He centrális magot és egy reagáló H-burok létét sugallja. (Cameron, 1975; Foulkner, 1975) 2. A Nap centrális magja más lehet, mint a fősorozatbeli csillagoké, hélium helyett nehéz elemeket tartalmaz (Hoyle, 1975) 3. A Nap anyaga folyamatosan keveredik – aminek okát még nem ismerjük – és a héliumot kiemeli a magból, helyére pedig hidrogént juttat. 4. A közelmúltban végbement a Nap anyagában egy hirtelen keveredés, amit egy instabilitás lassú felépülése okoz. (Fowler, 1972) Az ionizált vasatommagok nem egyenletesen oszlanak el a Napban, ami befolyásolja a Nap hővezető képességét és ezen keresztül a centrális hőmérsékletet, ami pedig hatással van a reakciók hatáskeresztmetszetére. A rövid periódusú változások megfigyeléséből az a következtetés vonható le, hogy a Nap változócsillag. A neutrínó esetleges bomlása. Elméletben nincs olyan kizárási szabály vagy megmaradási törvény, ami ezt megtiltaná. Gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskék (WIMP-ek) centrális magbeli jelenléte.
A végső megoldást Pontecorvo olasz fizikus elmélete adta, mely szerint a háromféle neutrínó képes átalakulni egymásba. Ez a jelenség az anyag által felerősített rezonáns neutrínóoszcilláció, vagy más néven Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein effektus (MSW-effektus). Az oszcillációt elsőként a Super-Kamiokande és a Sudbury Neutrínó Obszervatórium nevű neutrínódetektorok mutatták ki. Ezeknek a detektoroknak a mérési technikája lehetővé teszi mindhárom típusú neutrínó észlelését.
A mérések alapján arra következtettek, hogy a mért neutrínók száma megegyezik az elméletileg jósolttal, csak az elektronneutrínók számában tapasztaltak eltérést. Ebből egyértelműen neutrínóoszcillációra következtettek. Az elmélet (standard modell) szerint az oszcilláció ténye egyben azt is jelenti, hogy a neutrínók is rendelkeznek nyugalmi tömeggel, habár az nagyon kicsi. 2001-es mérések alapján ennek értéke: Δm2 = 4,2 eV2 és m0 ≈ 10-6 me > 0
A neutrínóoszcillációt több – egymástól különböző – neutrínóforrásnál is megfigyelték különböző detektálási technikával, más-más energiatartományban:
Napneutrínók (HOMESTAKE, SNO) Atmoszferikus neutrínók (IMB, MACRO, Super-Kamiokande) Reaktorban keletkező neutrínók (KamLAND) Neutrínóbomlás (MINOS, LSND, MiniBooNE, Super-Kamiokande, K2K)
Neutrínókeltő részecskefizikai folyamatok