Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Ciripelő elektronok és a neutrínótömeg

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Hadron-időszak     

Egy külső mágneses mező az elektromosan töltött részecskéket körpályára kényszeríti, a gyorsuló töltés pedig elektromágneses sugárzást bocsát ki: az időközben ciklotronsugárzás (vagy szinkrotron-sugárzás) néven ismertté vált jelenséget elsőként Oliver Heaviside angol fizikus jósolta meg még 1904-ben. Ilyen sugárzás érkezik Földünkre a világűrből (asztrofizikai rádióforrásokból), illetve keletkezik minden körkörös részecskegyorsítóban, amelyek éppen ezért például röntgenforrásként is üzemeltethetők. E berendezésekben azonban mindig nagyszámú részecskéből álló „csomagok" gyorsulnak, amelyeknek így az együttesen létrehozott sugárzását észleljük. A Project 8 nevű kísérletben most egy fizikuscsoportnak a világon először sikerült ebből a rendkívül magas frekvencián ciripelő „kórusból" egyetlen elektron „szólóját" kiszűrnie.

A Project 8 egy több lépcsősre tervezett nemzetközi program, amelyben összesen 6 amerikai, illetve német egyetem/kutatóintézet 27 kutatója vesz részt, végső célja pedig 5-a neutrínó tömegének meghatározása egy speciális rádiófrekvenciás eljárással, amelyet most egyetlen elektron energiájának nagyon pontos meghatározására használtak fel. Az eredményről beszámoló cikk a Physical Review Letters-ben jelent meg.

1. ábra.: A Project 8 kísérleti berendezésének vázlata

(KÉP: APS/ALAN STONEBRAKER/BEN MONREAL/UCSB

A méréshez használt berendezés (1. ábra.) a Washington Egyetemen (Seattle) működik, lelke egy 1 tesla erősségű mágnessel körülvett kicsi, kávéscsésze méretű gázkamra, amely kevés (alacsony nyomású) kripton-83 gázt tartalmaz. Ez egy radioaktív izotóp, amelynek béta-bomlása során elektronok szabadulnak ki, amelyeket a mágneses tér körpályára terel, s eközben mintegy 25 gigahertz frekvenciájú ciklotronsugárzást bocsátanak ki. Utóbbit érzékeny mikrohullámú erősítőkkel észlelték a kísérlet munkatársai.

2. ábra: Egyetlen elektron ciklotronsugárzási teljesítménye az idő (vízszintes tengely: 79-85 ms)

és a sugárzási frekvencia (függőleges tengely: 778-792; -- 24GHz; MHz) függvényében (KÉP: D. M. ASNER ET AL. PRL)

Az így mért sugárzási teljesítményt az idő és a frekvencia függvényében ábrázolva a kutatók a 2. ábrán látható eloszlást kapták. A fényes, enyhén felfelé emelkedő sávok egyetlen elektrontól eredő sugárzásnak felelnek meg, amelynek intenzitáseloszlását a színek érzékeltetik. Mint ismeretes, a körpályán mozgó elektron folyamatosan sugároz, emiatt energiát veszít, keringési frekvenciája eközben az idővel lineárisan nő. Az észlelt sugárzási sávok valóban ilyen viselkedést mutatnak, ezért is tulajdoníthatók egyetlen elektronnak. (A frekvenciában látható — az egyes sávok közti — nagyobb ugrások a cellában maradt stabil atomokkal vagy molekulákkal való ütközésekből erednek.) Az első sávhoz tartozó frekvenciából a kripton-83 atommagjának béta-bomlásából származó elektron energiája 30 elektronvolt pontossággal határozható meg.

A Project 8 kísérlet végső célja azonban a neutrínó tömegének meghatározása. Hogyan kapcsolódik ez ide?—Nos, a béta-bomlásban az elektron mellett neutrínó is keletkezik. A folyamatra érvényes az energia- és az impulzusmomentum megmaradásának tétele (éppen ennek látszólagos sérülése nyomán „sejtette meg" Wolfgang Pauli a neutrínó létezését 1930-ban). Ezért a bomlásban keletkező elektron energiája mindig kisebb a teljes bomlási energiánál, mivel abból valamennyit a neutrínó is „ellop". Az elektron maximális energiájának mérésével a neutrínó által elvitt energia meghatározható, abból pedig kiszámítható a neutrínó tömege.

Eredetileg a neutrínó tömegét nullának tételezték fel, miután azonban kiderült, hogy a netrínók is 3 „ízben" (elektron-, müon- és tau-neutrínó) léteznek, amelyek egymásba is átalakulhatnak (ez az úgynevezett neutrínóoszcilláció), ez az álláspont tarthatatlanná vált. A neutrínóoszcillációs kísérletek eddig csupán egy nagyon alacsony alsó határt szabtak a neutrínók tömegére: ez 0,01-0,05 eV közti érték, amely csupán parányi töredéke a következő legkönnyebb részecske, az elektron 500 ezer eV (500 keV) körüli tömegének.

Ez a sok nagyságrendnyi különbség ugyan lehet puszta véletlen is, de az sem kizárt, hogy a neutrínók tömegét nem ugyanaz a Higgs-mechanizmus adja, mint a többi részecskéét. Azaz túl kell lépni a részecskefizika standard modelljén. Az ilyen modellekben azonban olyan részecskék is megjelennek, amelyek még a jelenlegi legnagyobb részecskegyorsító, a genfi LHC teljesítményével sem hozhatók létre. Másfelől viszont a neutrínó tömegének pontos meghatározásával ezen elméletek java része kizárható. Végül: a neutrínó tömege alapvető fontosságú a kozmológiában is, egyebek között meghatározó szerepe van a galaxisok morfológiájának és eloszlásának kialakításában.

Alsó határt a neutrínó tömegére eddig kizárólag neutrínóoszcillációs mérések adtak. Minden egyéb kísérlet csupán felső korlátokat határozott meg. Közülük a legszigorúbb („ízekre" adagok) érték 2,05 eV, amely a trícium béta-bomlásának nagyon precíz megfigyelésén alapul. Ennek következő generációs, továbbfejlesztett változata, a Karlsruhei Trícium Neutrínó Kísérlet (KATRIN) ezt a korlátot legfeljebb 0,2 eV-ra képes majd leszorítani, ami a spektrométer méretei miatt (műszaki okokból) tovább már nem növelhető.

A Project 8 kísérletben elvileg nincs ilyen korlát, s bár a mérés jelenlegi energia-felbontóképessége (30 eV) mindössze harmincad része a KATRIN-énak (1 eV), van esély e hátrány leküzdésére, sőt, még akár az előzésre is. Elvileg egyelőre nem látszik olyan akadály, amely meggátolhatná az alsó korlát nagyságrendjének elérését, s ezáltal a neutrínó tömegének meghatározását is.

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Hadron-időszak     

------------

Forrás: https://physics.aps.org/articles/v8/36 ;

Élet és Tudomány • 2015/20 ■ 611

https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.114.162501