Fizikai Szemle 2008/10. - Ettore Fiorini: A NEUTRÍNÓ TÖMEGE

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 fejlõdésére, különösképpen kiemelve tömegük megmérésének fontosságát. A fizikusok különféle detektorokat fejlesztettek ki, amelyeket használva számos kísérletet terveznek e tömegek megmérésére, de legalábbis értékük felsõ korlátjának megadására. Alapvetõen kétféle stratégiával - a β-bomlásban keletkezõ elektronok energiaspektrumának felsõ tartományát vizsgálva, illetve a neutrínómentes kettõs β-bomlást (KβB) kimutatva - számíthatunk eredményre. A jelenleg futó bolometrikus CUOROCINO-és NEMO-kísérletek szolgáltatják a messze legjobb korlátot a neutrínók Majorana-tömegére, de - egyelõre - 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" kezdetû, a tübingeni radioaktivitási konferencia résztvevõihez írott, 1930. december 4-i keltezésû levelében (1. ábra). Ebben a levélben a ²¹⁰Bi β-bomlásában megfigyelt energiahiányt (lásd késõbb) 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 késõbb tartott elõadásával nagyon erõsen 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 értékû tömege, amelyrõl azt írta, hogy "még az elektronénál is kisebb". A késõbbi munkák majd mindegyikében tömegnélküli részecskeként tárgyalták. Nagy elõrelépést hozott a napneutrínók, az atmoszférikus neutrínók, valamint a reaktorokból és gyorsítókból származó neutrínók oszcillációjának felfedezése. Mindezekbõl a kísérletekbõl arra következtetnek a kutatók, hogy legalább két neutrínófajta tömege véges és egymástól is különbözõ. Ezzel a neutrínótömeg megmérése kötelezõ 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 elõ, hogy megmentsem az energia megmaradását. Föltételezem, hogy a bomláskor az elektron mellett egy könnyû semleges részecske is keletkezik, az elektronnal osztozva az atommag által leadott energián. Ezt a semleges részecskét neutronnak neveztem el. A neutronnak azonban olyan nagy áthatolóképességûnek kell lennie, hogy szinte kimutathatatlan.... Ezért gondolatomat nem merem publikálni, elképzelésemet csak levélben terjesztem Önök elé, alázatos szolgájuk,

Wolfgang Pauli."

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

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 elõször kalorimetrikus méréseket a radioaktív bomlásokra. Ellis és Wooster végezték el a neutrínók felfedezéséhez vezetõ mérést, amikor kimutatták a ²¹⁰Bi bomlásában az energiahiányt, kiváltva ezzel Pauli fentebb említett levelét. Simon 1935-ben jött rá, hogy a hõmérséklet csökkentésével nagyban fokozható a bolometrikus detektorok érzékenysége. Jóval késõbb, 1983-ban T. Niinikosky a CERN-ben kozmikus sugárzások által alacsony hõmérsékletû ellenállásokban keltett áramlökéseket mért.

A kriogenikus detektorok felhasználását az alapvetõ kölcsönhatások tanulmányozására két csoport is javasolta 1984-ben, egymástól függetlenül, az Atlanti- óceán két partján. Az Egyesült Államokban S.H. Moseley és munkatársai elsõsorban 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 érdeklõdött, amelyek közé tartozott a neutrínó tömegének közvetlen mérése. Egy "mûvészi" és egy, a mérési elvet jobban megvilágító vázlat látható a 2. ábrán. A detektálási elv nagyon egyszerû. A hõelnyelõ dielektromos vagy diamágneses anyagot lehûtik.

Fajhõje az aktuális hõmérséklet és a Debye-hõmérséklet hányadosának köbével arányos, és így szinte tetszõlegesen kicsinnyé tehetõ. Ennek következtében egyetlen részecske elnyelésébõl származó hõ is jelentõsen megemelheti hõmérsékletét. Ezt alkalmas "hõmérõvel" észlelik. Ennek a detektornak a keV energiatartományban tanúsított, és már 1 milligramm tömeg esetén is kiváló teljesítõképességét 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.

A neutrínó tömegének mérése egyetlen β-bomlással

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

A legerõsebb korlát a ³H → ³He β-átmenetbõl volt nyerhetõ. 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 helyrõl Karlsruhéba (5. ábra és folyóiratunk címképe).

Ezt kiegészítõ megközelítésre ad módot a kriogenikus detektorok használata, amelynek során egy mikroabszorberben a β-bomlás során keletkezett hõt bolometrikusan mérik meg. A neutrínótömeg meghatározásában a kriogenikus detektorok érzékenysége még messze elmarad a spektrométerekétõl, de megjegyzendõ, hogy bolometrikus eljárással a bomlásban keletkezõ teljes energia észlelhetõ, nemcsak az elektroné. Alkalmas a gerjesztett állapotból történõ 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 kettõs β-bomlás

Ezt az igen ritka folyamatot részletesen elemzik a fizikai irodalomban. A legegyszerûbb 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. Elõbbi esetben az átmenet energiájának megfelelõ csúcs lép fel a két elektron együttes energiájának eloszlásában.

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

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

A neutrínó nélküli KβB gyakoriságát egy könnyen számolható G_0v fázisjellegû mennyiségnek, az M_0v nukleáris mátrixelem négyzetének és az <m_v> effektív neutrínótömeg négyzetének szorzata adja meg. Az M_0v mátrixelem számítása nagyon nehéz és sokat vitatott feladat. Ennek bonyolultsága miatt általános egyetértés van arról, hogy a neutrínómentes KβB-t a legkülönbözõbb magokban kell keresni. Kifejezetten kísérleti fizikai szempontból további érv is szól e mellett a stratégia mellett: a környezeti radioaktivitásban mérhetõ 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 egyidejû vizsgálata, ahol a neutrínómentes bomlással társítandó csúcs különbözõ energiákon jelenik meg, bizonyíthatja meggyõzõen e fontos folyamat létezését.

A neutrínómentes KβB észlelésére a legérzékenyebb mûködõ detektor ma a CUORICINO (8. ábra), amely egyben ma a legnagyobb mûködõ kriogenikus detektorrendszer. Egyetlen, 41 kg tömegû abszorbensoszlopból áll, amely TeO₂-bõl 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 méretû egykristály alkot. Közülük kettõ ¹²⁸Te-ban, kettõ pedig ¹³⁰Te-ban dúsított. Ezt 44 darab kocka alakú, természetes izotóp-összetételû kristály veszi körül, amelyek oldaléle 5 cm. Mindeddig nem találtunk olyan eseményt, amely a ¹³⁰Te esetében neutrínómentes KβB-re utalna. Ebbõl 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 esõ 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 erõsíti meg az õ következtetésüket, de nem is zárja azt ki.

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-kísérletekbõl történõ 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-jellegû fermion-e? Az izgató kérdés megválaszolására fordított erõfeszítéseket kiválóan példázza számos csodaszép kísérlet, amelyek új, idõnként egyenesen forradalmi technikát alkalmaznak.

A fiatal szakemberek kedvéért szeretném hangsúlyozni, hogy a neutrínótömeg meghatározását célzó nem-gyorsítós kísérletek multidiszciplinárisak. Egyszerû 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 Emlékelõadó az Olasz Fizikai Társaság szíves engedélyével bocsátotta a Fizikai Szemle rendelkezésére budapesti elõadásával jórészt egyezõ, a varennai nyári iskolán 2008 júniusában tartott elõadásának szövegét (fordította: Patkós András, ELTE).

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