Valószínűtlennek tűnhet, hogy a fizika egyik alaptörvényét, az energiamegmaradás elvét éppen korunk egyik legnagyobb fizikusa vonta kétségbe. Márpedig Niels Bohr 1932-ben ezt tette az egyik elterjedt atommagreakció, az úgynevezett bétabomlás magyarázatával kapcsolatosan. A reakció során a neutron spontán módon felbomlik pozitív töltésű protonra és negatív elektronra. A keletkezett részecskék energiamennyisége furcsa módon kisebbnek bizonyult a kiszámított értéknél, tehát a bétabomlás során energiaveszteség áll be. De hogy hol és milyen formában. azt senki sem tudta megmagyarázni. Bohr feltételezte, hogy bizonyos magreakciók lezajlása közben az energia megmaradásának elve nem mindig áll fenn. Bohr tévedett, de mentségére szolgál a körülmények rendkívüli jellege.
A kérdésben Wolfgang Paulinak, az akkor harmincéves svájci fizikusnak más volt a véleménye. Válaszát akkor egyszerűen képtelenségnek is lehetett volna minősíteni. Pauli ugyanis feltételezte egy olyan részecske létezését, amelyet akkoriban gyakorlatilag nem lehetett kimutatni. Ennek a részecskének a nyugalmi tömege nulla, elektromos töltése nincsen, elektromágneses erők reá nem hatnak és az anyagon úgy áthalad , mintha az ott sem lenne. A fantomrészecskét, ami W. Pauli ceruzahegyén született meg, s aminek létezésében jó ideig a fizikusok sem hittek, neutrínónak nevezték el.
A kísérleti fizika gazdag éveiben végre sikerült – de még így is meglehetősen későn, 1955-ben – a neutrínó létezését kísérletileg is bebizonyítani. Az új részecske egyszeriből alapfelfogásokat megingató, új elméleteket serkentő, sőt a világmindenséget betöltő különleges részecskévé vált. A legutóbbi fizikai kutatásokról szóló szenzációs hírekből arra következtethetünk, hogy a neutrínó segítségével egyszerű magyarázatot kapnak a gravitáció és a kozmosz anyag-energia fejlődésének alaptörvényei.
Ma már általánosan elfogadott, hogy a csillagok energiaforrása termonukleáris jellegű, a könnyű elemek atommagjainak nehezebb elemek magjaival való egyesülési folyamatából származik, amit hatalmas energiamennyiség felszabadulása kísér. Ezt a feltételezést azonban igen nehéz bebizonyítani, még a csillagászati szempontból hozzánk közel levő Nap esetében is. Az elsődleges termonukleáris reakciók a Nap belsejében játszódnak le, ahol a hőmérséklet meghaladja a tízmillió fokot. A Nap belsejét azonban viszonylag vastag napburkolati anyag veszi körül, amelynek felületi hőmérséklete sokkal kisebb: nem haladja meg a hatezer fokot. Mérőműszereink tulajdonképpen a felületről leszakadó részecskék, sugarak tanulmányozását teszik csak lehetővé.
A Nap belsejéből a periféria felé haladó energiaátvitel viszonylag lassú, millió évekig tartó folyamat, amelynek során a legtöbb elemi részecske – így a sugárzás is – számos átalakuláson mehet át. Így tehát az „autentikus” részecskék vagy sugárzások, amelyek a csillagok belsejében zajló folyamatokról közvetlen értesüléseket nyújthatnának, nem tanulmányozhatók.
Itt lép közbe a neutrínó szerepe, amely alapjellemzőinél fogva nem kapcsolódik anyagi részecskékhez, különféle sugárzásokhoz, elektromágneses erőmezőkhöz. A Nap vagy a más csillagok belsejében zajló termonukleáris reakciók terméke áthalad a csillag anyagán, a kozmikus téren, a levegőrétegen. A neutrínók tehát „érintetlenül”, rejtett kozmikus folyamatok hírnökeiként érkeznek, majd a Földön is áthaladva, tovább száguldanak a világűrben.
Feltevődik azonban a kérdés: ha a neutrínó ennyire megfoghatatlan és érzékelhetetlen, hogyan tanúskodhat reális fizikai folyamatokról, hogyan sikerül jelenlétéről tudomást szerezni?
Enrico Fermi, olasz Nobel-díjas fizikus továbbfejlesztette Paulinak a neutrínóra vonatkozó elméletét: kiszámította, mekkora a valószínűsége annak, hogy egy neutrínó valamely részecskével kölcsönhatásba lépjen. Arra a következtetésre jutott, hogy ez a valószínűség egyenlő 10-9-nel, vagyis minden egymilliárd neutrínó közül egy kerülhet anyagcsapdába. Márpedig ez az egyetlen lehetőség arra, hogy jelenlétéről tudomást szerezzünk.
Fermi arra is választ adott, hogy mi történik, amikor a neutrínó az anyaggal kapcsolatba lép. Szerinte a neutrínó behatol a neutronba, kiüt belőle egy elektront, miközben egy proton képződik. Az atommag hasonló megváltozása igen lényeges, ugyanis a pozitív töltések száma ezzel nagyobbá válik, vagyis a kémia nyelvét használva: új elem keletkezik, amelynek rendszáma eggyel nagyobb. Ha például egy ilyen esemény a klóratommal történik, a képződő új elem a radioaktív argon-izotóp lesz, amely – megfelelő mennyiségben – lemérhetővé, tanulmányozhatóvá válik. A jelenséget klór-argon reakciónak nevezik.
De térjünk vissza első kérdésünkhöz: hogyan s milyen energiájú neutrínók képződnek a Nap belsejében?
A Napban zajló termonukleáris reakciók egyik típusa az úgynevezett „pp”-reakció, amelynek során két proton egy deutériummagot, egy pozitront és egy neutrínót hoz létre. A reakció során felszabaduló energia nagy részét 0,2 MeV-os (megaelektronvoltos) neutrínók szolgáltatják. A neutrínóképződéshez vezető „napreakciók” másik formája a berilium elektronnal való egyesülése, amelynek végterméke a lítium. Itt kétféle energiájú neutrínó képződik: az egyik 0,861, a másik 0,383 MeV-os energiájú.
A harmadik reakciótípus, amely sokkal nagyobb energiájú neutrínót termel (14,06 MeV-ost), a bór spontán dezintegrációja. Hasonló – neutrínóképződéssel járó – reakciókat még sorolhatnánk. A neutrínók kísérleti tanulmányozásának alapja az, hogy a különböző energiájú neutrínók anyaggal való egyesülésének valószínűsége és voltaképpeni fizikai kémiai eredménye különböző. Davis amerikai fizikus kutatócsoportja mintegy tíz éve azon igyekszik, hogy a Napban „született” neutrínókat kísérletileg kimutassa és tulajdonságaikat lemérje. A kísérletek több mint nyolc évig eredménytelenek maradtak, s emiatt a kutatók már-már arra a következtetésre jutottak, hogy a Nap energiája nem termonukleáris jellegű.
1971 év áprilisában azonban Davis a következő lakonikus kijelentést tette: „Kísérletek folynak a Napban keletkezett neutrínók klór-argon reakció alapján történt megfigyelésére. Detektorként 610 tonna tetraklóretilént használunk. Megállapítottuk, hogy egy argonatom képződésének naponkénti valószínűsége 0,5±0,2. A neutrínó klórral való egyesülésének valószínűsége tehát 10–30 sec-1, ami a teoretikusan kiszámolt 10–35 sec-1 értékhez igen közel esik.”
Davis tetrakloretilén detektorát egy 1400 méter mély dakotai aranybányában helyezte el, hogy minél jobban védje a kozmikus sugaraktól. A Föld belsejében Wolfgang Pauli „szállingózó” neutronoktól vízfallal védte a tartályt. Gyakorlatilag tehát a detektortartályba a neutrínóén kívül más sugárzás nem hatolhatott be. A tartályban található atomok száma mintegy 1030, amiből a klór-argon reakció útján képződött mintegy 10 (!) argonatom jelenlétét lehet kimutatni. A feladat bonyolultsága ijesztő, a kísérlet mégis megvalósítható, ugyanis a képződött argonatom erősen radioaktív, és jelenléte érzékeny radiométerekkel kimutatható. (Azonban a klór-argon reakció segítségével csak a legalább 0.8 MeV-os neutrínók jelenlétét lehet kimutatni, minthogy ennek a reakciónak az energetikai küszöbe körülbelül ilyen értékű.)
Hasonló kérdés megoldására dolgozták ki a Szovjetunióban az úgynevezett gallium-germánium módszert A kisenergiájú neutrínó a galliumot protontöbblet képződéssel germániummá alakítja, ami (tíznapos felezési idővel) erősen radioaktív és energiaküszöbe 0,233 MeV.
Ily módon minden termonukleáris reakcióból származó neutrínó kimutatása gyakorlatilag megoldottnak tekinthető.
Ma a neutrínó tanulmányozásának jelentőségét a modern fizika fejlődésében és a kozmikus energetikai folyamatok mechanizmusainak megismerésében még egyszerűen lehetetlen felmérni, hiszen már Davis első sikeres kísérletei lehetőséget adtak arra, hogy a Nap működéséről pontos következtetéseket vonjunk le. Kiderült például, hogy a Nap központjának hőmérséklete nem több mint 14,3 millió fok. A nehézelemek mennyisége nem haladja meg az egy százalékot, az energiaforrás 95 százaléka pedig olyan magfúziós reakció, amelyben a szénatom magjánál kisebb nukleonok vesznek részt.
Ez egyelőre nem sok, de mégis jóval több, mint amennyit eddig tudtunk reggelenként ránk mosolygó Napunkról.
Megjelent A Hét IV. évfolyama 10. számában, 1973. március 9-én.
