Fotó: profimedia
Az OPERA kísérlet a CERN és az olaszországi Gran Sasso Laboratory
(LNGS) közös projektje, melynek frontvonalában a neutrínóoszcilláció
jelenségének vizsgálata áll. Az OPERA kísérletet a müon-neutrínók
tau-neutrínóvá történő átalakulásának kutatására tervezték. A neutrínók
amellett, hogy semlegesek, véges, azaz nem nulla tömeggel is
rendelkeznek (ezt a neutrínó-oszcilláció jelenségének elméleti leírása
követeli meg). Mint tömeggel rendelkező részecskék, a speciális
relativitáselmélet értelmében csakis a fénysebességnél alacsonyabb
sebességgel haladhatnának – ezt azonban az OPERA kísérlet eredménye
cáfolni látszik. De honnan következik, hogy semmi sem haladhat
gyorsabban a fénynél?
E kérdés megválaszolásához utazzunk vissza az 1900-as évek elejére!
Ekkortájt már létezett az elektromágneses terek Maxwell-féle elmélete,
és éppen ez volt az, ami komoly fejtörést okozott az akkori kutatóknak. A
Maxwell-féle elmélet ugyanis ellentmondani látszott a klasszikus
mechanika egyik legalapvetőbb feltevésével, a Galilei-féle relativitási
elvvel. A Galilei-féle relativitási elv azt a nyilvánvaló elképzelést
mondja ki, mely szerint a fizikai törvények alakja független attól, hogy
mely koordinátarendszerben írjuk fel őket. Attól tehát, hogy egy űrhajó
röppályáját nem a Földhöz, hanem mondjuk a Marshoz viszonyítva írjuk
le, az űrhajónak még ugyanazoknak a fizikai törvényeknek kell
engedelmeskednie.
Amennyiben a klasszikus mechanikára alkalmazzuk a Galilei-féle
relativitási elvet, eljutunk az ún. Galilei-transzformációhoz, mely
megmondja, hogy miként kell az egyik koordinátarendszerben felírt
törvényeket átszámítani egy másik koordinátarendszerbe, úgy, hogy
eközben a fizikai törvények alakja ne változzék. Ugyanezt a
transzformációt az elektromágneses terek Maxwell-féle elméletére
alkalmazva azonban a törvények alakja megváltozott. Úgy tűnt tehát, hogy
az elektromágneses tér törvényei függenek attól, hogy milyen
koordinátarendszerben tekintjük azokat. Ilyen esetben a következő három
megoldás közül választhatunk: vagy a Galilei-féle relativitási elv nem
igaz, vagy a Maxwell-féle elmélet helytelen, esetleg a klasszikus
mechanika törvényei rosszak.
Számtalan olyan kísérlet született, melyek ezt a kérdést igyekeztek
tisztázni. Ezek közül az egyik legismertebb a Michelson–Morley-kísérlet,
melynek eredménye arra az elkerülhetetlen következtetésre vezetett,
hogy a több száz éve helyesnek vélt newtoni mechanika törvényeivel van a
probléma. Albert Einstein volt az, aki 1905-ben korrigálta Newton
törvényeit, figyelembe véve a Michelson–Morley-kísérlet eredményét is.
A neutrínófizika alapjai
A neutrínók felfedezéséhez a radioaktív béta-bomlás vizsgálata
vezetett. A béta-bomlás folyamatának két típusa létezik: a negatív,
valamint a pozitív béta-bomlás, attól függően, hogy a bomlás során az
atommag negatív töltésű elektront, avagy pozitív töltésű pozitront
bocsát ki. A kutatók a béta-bomlás vizsgálata közben arra lettek
figyelmesek, hogy a bomlás után az új atommag és az elektron
összenergiája kevesebb, mint az elbomlott atommag összenergiája volt,
továbbá az impulzus- és az impulzusmomentum-megmaradás törvénye is
sérülni látszott.
Wolfgang Pauli mutatta meg 1930-ban, hogy amennyiben az elektron
mellett egy másik, semleges részecske is keletkezik, a megmaradási
törvények újfent kielégülhetnek. Közel három évtizeddel később, 1956.
júliusában Clyde Cowan és Frederick Reines kutatócsoportjának sikerült
kísérletileg is kimutatnia ezt a részecskét (melyet időközben
neutrínónak neveztek el). Ezért a felfedezéséért F. Reines 1995-ben
Nobel-díjat kapott.
A neutrínóknak több fajtája létezik, attól függően, hogy elektronnal,
müonnal, vagy tau-részecskével együtt keletkeznek. Ezek alapján
megkülönböztetünk elektron-neutrínót, müon-neutrínót, valamint
tau-neutrínót. A Napból a Földre jutó neutrínók számának és típusának
vizsgálatából az is kiderült, hogy a különböző típusú neutrínók képesek
átalakulni egymásba, ezt a jelenséget nevezzük neutrínó-oszcillációnak.
Einstein speciális relativitáselmélete két hipotézisre épült:
egyrészt továbbra is igaz a Galilei-féle relativitási elv, azaz a fizika
törvényei függetlenek attól, hogy mely koordinátarendszerben írjuk
azokat fel. Más részről azzal a kevésbé nyilvánvaló feltételezéssel élt,
miszerint a fény minden koordinátarendszerben azonos sebességgel halad.
Ez utóbbi feltételezést alátámasztotta például a
Michelson–Morley-kísérlet is. Ebből a két feltevésből minden önkénytől
mentesen levezethető, hogy létezik egy határsebesség, melyet semmilyen
anyagi részecske sem léphet túl. Azt már az elektromágneses tér
Maxwell-féle elméletéből, valamint kísérleti tapasztalatainkból tudjuk,
hogy ez a határsebesség éppen a fény sebessége.
A speciális relativitáselmélet feltevéseinek helyességét, valamint
azok következményeit a huszadik század során számtalan kísérlet
igazolta, némelyek igazán elképesztő pontossággal.
Az OPERA kísérlet során a kutatók a CERN Szuper Proton Szinkrotron
(SPS) gyorsítógyűrűjéből származó protonok segítségével keltettek
neutrínókat, melyeket azután az Olaszországban található Gran Sasso
Laboratórium felé irányítottak. Minthogy a neutrínók elektromosan
semlegesek, és a tömegük is rendkívül csekély, továbbá az erős
kölcsönhatásban sem vesznek részt, így szinte akadálytalanul képesek
áthaladni bármilyen anyagon, így a Földön is. Ez tette lehetővé, hogy a
Svájcban keltett neutrínókat Olaszország felé irányítva, azok a
földkérget átszelve akadálytalanul megérkezhessenek a Gran Sasso
Laboratórium neutrínó-detektoraiba.
A kutatók kifejtik leírásukban, hogy a két laboratórium közötti 730
km-es távolságot műholdas mérések alapján 20 cm-es pontossággal, míg a
neutrínók repülési idejét néhány nanomásodperces precizitással
lehetséges megmérni. Az időmérést tovább nehezíti az a tény, hogy a
létrejövő neutrínók pontos keltési időpontját nem ismerjük, azonban a
protonok bomlási idejének eloszlása már mérhető, és ezek alapján kellően
nagyszámú esemény esetén a neutrínók pontos repülési ideje
meghatározható. A számításokhoz felhasznált statisztika 16111
neutrínó-eseményt tartalmazott, minek következtében a mérés statisztikus
bizonytalansága kellően alacsony volt ahhoz, hogy a mérendő mennyiséget
a szükséges pontossággal meghatározhassuk. A mérések alapján
megállapították, hogy a neutrínók 60,7±14,3 nanomásodperccel előbb
érkeztek meg, mintha fénysebességgel haladtak volna, s ez valóban
szignifikáns eltérésnek tekinthető.
A kutatók ugyanakkor óvatosságra intenek beszámolójuk végén, és
további vizsgálatokat javasolnak, "a felfedezés lehetséges rendkívüli
hatása miatt”. Emellett elzárkóznak mindennemű elméleti magyarázattól
is, a tájékoztatás célja pusztán a tények közlése, és ezek megvitatása.
Több komoly érv is van azonban, mely kételkedővé tehet bennünket a
kísérleti eredmények hallatán. Az egyik legsúlyosabb ellenérv az
1987-ben felrobbant SN1987A szupernova esete. Ekkor ugyanis az
összeroppanás során keletkezett neutrínók közel egyidejűleg érkeztek meg
a robbanás fényével a tőlünk 168 ezer fényévnyire lévő objektumról. Ha a
neutrínók az OPERA kísérletnek megfelelően valóban gyorsabbak lennének a
fénynél, úgy évekkel korábban kellett volna megérkezniük, mint a
robbanás fénye, ilyet viszont nem tapasztaltunk.
Nincs azonban mitől félnünk. Ha ugyanis az OPERA kísérlet eredményei
helyesnek bizonyulnának, még akkor sem kellene az összes eddigi
tudásunkat kidobni, mert a speciális relativitáselmélet továbbra is
alkalmazható marad majd abban a felhasználási körben, ahol manapság is
nap mint nap használják. A helyzet ahhoz lenne hasonlatos, mint ami száz
éve történt: korrigálnunk kellene a speciális relativitáselmélet
feltevésein, hogy valami teljesebb lépjen azok helyébe. Ez azonban –
mondhatni – a világ rendje, bizonyos törvényeket időnként ki kell
terjesztenünk újabb és újabb területekre, ehhez pedig módosítani és
korrigálni kell őket. A fizika még nem ért a végére, a tudósok ezt jól
tudják, így nyitottak minden újra. Egy ilyen hatással bíró jelenséget
azonban több szemszögből is meg kell vizsgálnunk, mielőtt elfogadjuk
létét, hogy azután senki se kételkedhessen benne. A józan ész tehát
türelemre int. S hogy hihetünk-e a fizikusnak? Nos, én úgy hiszem, a
válasz továbbra is igen, még akkor is, ha néha esetleg felül kell
bírálnunk korábbi elképzeléseinket.
Írta: Kalmár Gergely