Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2008/10. 331.o.

A NEUTRÍNÓ TÖMEGE

Ettore Fiorini
Dipartimento di Fisica G.P.S. Occhialini,
Universita' di Milano-Bicocca
e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare,
Sezione di Milano-Bicocca

Ebben a cikkben röviden vázoljuk a neutrínók közelmúltban kimutatott oszcillációinak hatását a neutrínók fizikájának fejlődésére, különösképpen kiemelve tömegük megmérésének fontosságát. A fizikusok különféle detektorokat fejlesztettek ki, amelyeket használva számos kísérletet terveznek e tömegek megmérésére, de legalábbis értékük felső korlátjának megadására. Alapvetően kétféle stratégiával - a β-bomlásban keletkező elektronok energiaspektrumának felső tartományát vizsgálva, illetve a neutrínómentes kettős β-bomlást (KβB) kimutatva - számíthatunk eredményre. A jelenleg futó bolometrikus CUOROCINO-és NEMO-kísérletek szolgáltatják a messze legjobb korlátot a neutrínók Majorana-tömegére, de - egyelőre - ezek is csak az oszcillációs kísérletekben jelzett tartományt nagyságrendekkel meghaladó értékekre érzékenyek. Számos második generációs KβB-kísérlet terve közül a CUOREkísérlet terveit hagyták eddig jóvá. Az a cél, hogy az úgynevezett inverz tömeghierarchia1 esetére jósolt tömegtartományt ez a kísérlet elérje.

Történelmi bevezetés

A neutrínó létezését Wolfgang Pauli tételezte fel híres "Liebe Radioaktive Damen und Herren" kezdetű, a tübingeni radioaktivitási konferencia résztvevőihez írott, 1930. december 4-i keltezésű levelében (1. ábra). Ebben a levélben a 210Bi β-bomlásában megfigyelt energiahiányt (lásd később) és az ehhez kapcsolódó "rossz statisztikát" egy még meg nem figyelt semleges részecske kibocsátásával magyarázta, amelyet neutronnak hívott (az "igazi" neutront még nem fedezték fel!). Pauli egy Olaszországban később tartott előadásával nagyon erősen hatott Enrico Fermire, aki az olasz hangzású "neutrino"-ra változtatta a nevet és beépítette csodálatos gyenge kölcsönhatási elméletébe. A kezdet kezdetén Fermi feltételezte, hogy a neutrínónak van egy egészen kis értékű tömege, amelyről azt írta, hogy "még az elektronénál is kisebb". A későbbi munkák majd mindegyikében tömegnélküli részecskeként tárgyalták. Nagy előrelépést hozott a napneutrínók, az atmoszférikus neutrínók, valamint a reaktorokból és gyorsítókból származó neutrínók oszcillációjának felfedezése. Mindezekből a kísérletekből arra következtetnek a kutatók, hogy legalább két neutrínófajta tömege véges és egymástól is különböző. Ezzel a neutrínótömeg megmérése kötelező feladattá vált, amely újfajta detektorok tervezését igényli. Közülük alább a kriogenikus típust fogom röviden ismertetni.

"Tisztelt Radioaktív Hölgyeim és Uraim! ... Én azonban egy kétségbeesett föltevéssel állok elő, hogy megmentsem az energia megmaradását. Föltételezem, hogy a bomláskor az elektron mellett egy könnyű semleges részecske is keletkezik, az elektronnal osztozva az atommag által leadott energián. Ezt a semleges részecskét neutronnak neveztem el. A neutronnak azonban olyan nagy áthatolóképességűnek kell lennie, hogy szinte kimutathatatlan.... Ezért gondolatomat nem merem publikálni, elképzelésemet csak levélben terjesztem Önök elé, alázatos szolgájuk,

Wolfgang Pauli."


1. ábra
1. ábra.Wolfgang Pauli levele a tübingeni radioaktivitási konferencia résztvevőihez.

A kriogenikus detektorok

E detektorok eredete 1880-ra nyúlik vissza, amikor Langley a Nap infravörös sugárzásának észlelésére rezisztív bolométereket szerkesztett. Curie és Laborde pedig 1905-ben végzett először kalorimetrikus méréseket a radioaktív bomlásokra. Ellis és Wooster végezték el a neutrínók felfedezéséhez vezető mérést, amikor kimutatták a 210Bi bomlásában az energiahiányt, kiváltva ezzel Pauli fentebb említett levelét. Simon 1935-ben jött rá, hogy a hőmérséklet csökkentésével nagyban fokozható a bolometrikus detektorok érzékenysége. Jóval később, 1983-ban T. Niinikosky a CERN-ben kozmikus sugárzások által alacsony hőmérsékletű ellenállásokban keltett áramlökéseket mért.

2. ábra 3. ábra

A kriogenikus detektorok felhasználását az alapvető kölcsönhatások tanulmányozására két csoport is javasolta 1984-ben, egymástól függetlenül, az Atlanti- óceán két partján. Az Egyesült Államokban S.H. Moseley és munkatársai elsősorban asztrofizikai célú felhasználásukat szorgalmazták, míg Európában T. Niinikosky és jómagam a ritka részecskefizikai események, különösképpen a KβB észlelésére láttuk alkalmasnak. Mindkét csoport más alkalmazások iránt is érdeklődött, amelyek közé tartozott a neutrínó tömegének közvetlen mérése. Egy "művészi" és egy, a mérési elvet jobban megvilágító vázlat látható a 2. ábrán. A detektálási elv nagyon egyszerű. A hőelnyelő dielektromos vagy diamágneses anyagot lehűtik.

4. ábra

Fajhője az aktuális hőmérséklet és a Debye-hőmérséklet hányadosának köbével arányos, és így szinte tetszőlegesen kicsinnyé tehető. Ennek következtében egyetlen részecske elnyeléséből származó hő is jelentősen megemelheti hőmérsékletét. Ezt alkalmas "hőmérővel" észlelik. Ennek a detektornak a keV energiatartományban tanúsított, és már 1 milligramm tömeg esetén is kiváló teljesítőképességét mutatja be a 3. ábra. A jelenlegi felbontóképesség 2 eV körül van, ami több, mint egy nagyságrenddel jobb minden más detektorénál. Az ábrán ezt illusztrálja a 210Po éles alfa-vonalának 3,2 keV felbontású képe.

5. ábra

A neutrínó tömegének mérése egyetlen β-bomlással

A neutrínóoszcillációk felfedezése erős lökést adott a neutrínó tömegére vonatkozó megszorításoknak a β-bomlás spektrum deformációiból való származtatására (4. ábra).

A legerősebb korlát a 3H → 3He β-átmenetből volt nyerhető. A Karlsruhéban megvalósítandó nemzetközi KATRIN (KArlsruhe TRitium Neutrino) kísérlet egy nagyságrenddel szeretné csökkenteni a korlátot. Az óriási méretek és tömeg miatt, e gigantikus berendezés nagyobb egységeit hosszú vízi úton szállították a közeli gyártási helyről Karlsruhéba (5. ábra és folyóiratunk címképe).

6. ábra

Ezt kiegészítő megközelítésre ad módot a kriogenikus detektorok használata, amelynek során egy mikroabszorberben a β-bomlás során keletkezett hőt bolometrikusan mérik meg. A neutrínótömeg meghatározásában a kriogenikus detektorok érzékenysége még messze elmarad a spektrométerekétől, de megjegyzendő, hogy bolometrikus eljárással a bomlásban keletkező teljes energia észlelhető, nemcsak az elektroné. Alkalmas a gerjesztett állapotból történő legerjesztés során kibocsátott energia mérésére is. A már elhunyt kiváló fizikus, a genovai Antonio Vitale javasolta, hogy az ismert legkisebb energiájú β-átmenetre, a 187Re  → 187Os esetében (amelynek energiája ~2,5 keV), kellene alkalmazni a bolometrikus technikát. Erre az átmenetre vonatkozó bolometrikus vizsgálatokat végeztünk Genovában, továbbá Milánóban is, amelyekben Re, illetve AgReO4 szolgált abszorbensként. A két kísérlet a nemzetközi MARE-kísérletben olvad össze.

A kettős β-bomlás

Ezt az igen ritka folyamatot részletesen elemzik a fizikai irodalomban. A legegyszerűbb esetben az (A,Z)→(A,Z+2) izotópátmenetet jelenti, amelyet két elektron kibocsátása kísér (6. ábra). Azt a két-neutrínós folyamatot, amelyben a leptonszám megmarad, eddig 10 mag esetében mutatták ki. E folyamat során két antineutrínó is keletkezik. Amennyiben a folyamat további részecskék kibocsátása nélkül, illetve egy vagy két majoronnak nevezett spintelen bozon kisugárzásával megy végbe, a leptonszám megmaradása sérül. Előbbi esetben az átmenet energiájának megfelelő csúcs lép fel a két elektron együttes energiájának eloszlásában.

Ennek a bomlási módusnak eléggé alkalmatlanul a "neutrínó nélküli kettős béta-bomlás" nevet adták. Megfigyelésének az lenne a következménye, hogy a neutrínót önmaga antirészecskéjével kellene azonosítani, és lehetővé válna e folyamat alapján a neutrínó abszolút <mv> tömegének meghatározása. Az oszcillációs megfigyelések alapján a jósolt tömegérték néhányszor tíz meV vagy esetleg néhány meV. Az előbbi az inverz tömeghierarchia, az utóbbi a normális tömeghierarchia esetét jellemzi.2

7. ábra

A KβB közvetlen megfigyelésére két kísérleti megközelítés követhető: a forrás = detektor és a forrás ≠ detektor lehetősége, amint azt a 7. ábra illusztrálja. Eddig egyetlen kísérlet sem utalt a neutrínó nélküli KβB-re, kivéve a Heidelberg-Moszkva együttműködés egyik részcsoportját, amelyet Klapdor-Kleingrothaus vezet. Az ő eredményeik szerint <mv> értéke 0,5 eV körül lenne.

A neutrínó nélküli KβB gyakoriságát egy könnyen számolható G0v fázisjellegű mennyiségnek, az M0v nukleáris mátrixelem négyzetének és az <mv> effektív neutrínótömeg négyzetének szorzata adja meg. Az M0v mátrixelem számítása nagyon nehéz és sokat vitatott feladat. Ennek bonyolultsága miatt általános egyetértés van arról, hogy a neutrínómentes KβB-t a legkülönbözőbb magokban kell keresni. Kifejezetten kísérleti fizikai szempontból további érv is szól e mellett a stratégia mellett: a környezeti radioaktivitásban mérhető összes spektrum számos csúcsot mutat, és ezek azonosítása gyakran igen nehéz. Nem zárható ki tehát, hogy a neutrínómentes KβB jeleként számba vett valamely csúcs valójában még fel nem tárt környezeti hatások miatt jelenik meg. Csak két vagy több mag egyidejű vizsgálata, ahol a neutrínómentes bomlással társítandó csúcs különböző energiákon jelenik meg, bizonyíthatja meggyőzően e fontos folyamat létezését.

A neutrínómentes KβB észlelésére a legérzékenyebb működő detektor ma a CUORICINO (8. ábra), amely egyben ma a legnagyobb működő kriogenikus detektorrendszer. Egyetlen, 41 kg tömegű abszorbensoszlopból áll, amely TeO2-ből készült. A 130Te magban kutatja neutrínómentes KβB-bomlás fellépését. Ez az izotóp a teljes keverék 34%-át adja, az átmenet energiája ~2530 keV. A CUORICINO-detektorban egy lineáris "mag" helyezkedik el, amelyet 18 darab 3×3×6 cm3 méretű egykristály alkot. Közülük kettő 128Te-ban, kettő pedig 130Te-ban dúsított. Ezt 44 darab kocka alakú, természetes izotóp-összetételű kristály veszi körül, amelyek oldaléle 5 cm. Mindeddig nem találtunk olyan eseményt, amely a 130Te esetében neutrínómentes KβB-re utalna. Ebből a tapasztalatból 90%-os konfidenciaszinten ennek az átmenetnek az élettartamára 3,1×1024 év adódik. Ez pedig Rodin és munkatársai újabb számításai alapján 0,16-0,84 eV tartományba eső neutrínótömeget enged meg. A Klapdor-Klingrothaus csoportja által talált pozitív esemény értelmezése a 0,1-0,9 eV tartományt emeli ki. Jelenlegi következtetésünk tehát az, hogy bár CUORICINO nem erősíti meg az ő következtetésüket, de nem is zárja azt ki.

8. ábra

A két futó és a számos javasolt további új generációs neutrínómentes KβB-kísérletet részletesen ismertette a 2008. évi Varenna-iskolán Andrea Giuliani. Az egyetlen jóváhagyott második generációs kísérlet a CUORE. Konstrukciójának a CUORICINO-hoz hasonlóan szintén a kriogenikus megközelítés az alapja. A mérés bolometrikus komponensére számos anyagot javasoltak. Az 150Nd vegyületei kivételével mindet sikeresen ki is próbálták.

Következtetések

Az egyetlen béta-bomlás spektrumának nagyon pontos mérése kiváló modellfüggetlen eljárás a neutrínó tömegének határok közé szorítására. Ez akkor is így van, ha figyelembe vesszük, hogy a mérések érzékenysége még nem érte el a neutrínóoszcillációs kísérletek által jelzett szintet. A neutrínómentes KβB-kísérletekből történő neutrínótömeg-meghatározás érzékenysége jóval nagyobb, még akkor is, ha ezek a kísérletek nem adnak közvetlen információt. Viszont közvetlen választ adnak arra a kérdésre, hogy a neutrínó Dirac- vagy Majorana-jellegű fermion-e? Az izgató kérdés megválaszolására fordított erőfeszítéseket kiválóan példázza számos csodaszép kísérlet, amelyek új, időnként egyenesen forradalmi technikát alkalmaznak.

A fiatal szakemberek kedvéért szeretném hangsúlyozni, hogy a neutrínótömeg meghatározását célzó nem-gyorsítós kísérletek multidiszciplinárisak. Egyszerű felsorolással jelzem, hogya magfizika, a részecskefizika és az asztro-részecskefizika mellett a szilárdtestfizika és anyagtudomány, a környezeti radioaktivitás, a geológia és a geo-kronológia egyaránt fontos szerepet kap az eredmények értelmezésében. Azt remélem, hogy vizsgálódásaink nemcsak a neutrínók fizikájában, de más területeken is képzeletünket meghaladó eredményre vezetnek majd.

________________________

A 2008. évi Marx György Emlékelőadó az Olasz Fizikai Társaság szíves engedélyével bocsátotta a Fizikai Szemle rendelkezésére budapesti előadásával jórészt egyező, a varennai nyári iskolán 2008 júniusában tartott előadásának szövegét (fordította: Patkós András, ELTE).

1 A Napból származó neutrínók oszcillációját jellemző távolság egy kisebb, a légkörben keletkező neutrínók oszcillációját jellemző távolság egy nagyobb tömegnégyzet-különbség jelenlétére utal a három ismert neutrínófajta között. A cikkben többszöri utalás történik a tömegspektrum két elképzelhető hierarchiájára, amelyek ezekkel az észrevételekkel összhangba hozhatók. Normális hierarchiának nevezik, amikor a két kisebb tömegű neutrínó tömegnégyzetének felhasadása kisebb, mint a legnagyobb tömegűt e kettőtől elválasztó tömegnégyzet-különbség. Az inverz hierarchia esetében a legkönnyebb neutrínó tömegértéke "magányos", a nagyobb tömegűek között pedig kisebb a felhasadás. (A fordító megjegyzése.)
2 Lásd a fordító megjegyzését az 1. lábjegyzetben.