Vadászat az antarktiszi szellemrészecskére

Minden fizikai kísérlet alapja a kölcsönhatás. Csak akkor tudunk vizsgálni például egy részecskét, ha rábírjuk, hogy lépjen kölcsönhatásba más részecskékkel. Ha ez nem lehetséges, akkor még csak észlelni sem tudunk semmit. Ez a baj a neutrínókkal. Ennek az elemi részecskének nincs elektromos töltése (az olasz eredetű neve kis semlegest jelent), így az elektromágneses kölcsönhatás nem játszik nála, és nem igazán vesz részt egyéb reakciókban sem.

Emiatt úgy halad át gyakorlatilag mindenen, mint a kés a vajon, azzal a különbséggel, hogy itt a kés és a vaj részecskéi tudomást sem vesznek egymásról. A neutrínókat gyakorlatilag lehetetlen csapdába ejteni: ha építenénk egy tartályt, aminek egy fényév vastag tömör ólomból lennének a falai (kb 9 és fél ezer milliárd kilométer), azon a neutrínók fele simán átszáguldana.

Befuccsolt terv 5 kilométer mélyen

Szóval alapjáraton nem sok reménnyel kecsegtet a neutrínók vizsgálata. Vagy legalábbis így tűnt hosszú évtizedekig, amikor a hatékony neutrínódetektorok építésére tett újabb és újabb próbálkozások legfeljebb csak részleges sikerrel jártak. Testközelből tapasztalhatta ezt meg Peter Gorham, a Hawaii Egyetem fizikusa, aki szinte egész tudományos pályafutása során neutrínóra vadászott.

A hetvenes évektől kezdve hatalmas, egy köbkilométernyi vizet átfogó neutrínódetektort próbáltak építeni Hawaiitól néhány kilométerre, 5000 méter mélységben. Ez volt a Mélyvízi Müon és Neutrínó Detektorprojekt (DUMAND). Sajnos a projekt kudarcba fulladt, hiába igyekeztek a megvalósításán majdnem 20 évig, 1995-ben a technikai nehézségek miatt beszüntették a tervet, pedig még el sem készült a berendezés.

Gorham nem adta fel, és az utóbbi másfél évtizedben rendszeresen jár a Déli-sarkra, mert az új generációs neutrínódetektor-tervek központi eleme a jég. A fizikus az ezredforduló évében bizonyította egy részecskegyorsítóban végzett kísérlet segítségével, hogy lehetséges detektálni azokat a rádióhullámokat, amelyeket a kozmoszból érkező, és a jégen áthaladó neutrínók keltenek.

Korábban a vizet tartották a neutrínóérzékelés fő médiumának, de (ahogy a DUMAND projekt befuccsolása is mutatta) nem olyan egyszerű hatalmas fizikai kísérleti berendezéseket összerakni kilométerekkel az óceán felszíne alatt. Viszont a jég is vízből van, és ugyanilyen (vagy legalábbis hasonlóan) jó lehet a neutrínók lefülelésére.

Anita, Amanda és barátnőik

Itt lép a színre Anita, aki természetesen egy újabb betűszó (abból a fajtából, amit előbb találnak ki, mint a teljes elnevezést). Anita a jelenleg egyik legígéretesebb neutrínódetektáló projekt (Antarktiszi Impulzív Tranziens Antenna), amely ugyancsak Peter Gorham agyszüleménye, és 2003 óta fejlesztik a világ számos országából érkező fizikusok.

Ahogy a neve is mutatja, az Anita-berendezések számos antennából épülnek fel, amelyek feladata az ultra nagy energiájú kozmikus neutrínók és az antarktiszi jégmező kölcsönhatása folytán létrejövő rádióhullámok detektálása. Minél nagyobb a neutrínó energiája, annál inkább kölcsönhat az anyaggal, és annál könnyebb (viszonylagosan) detektálni őket.

Az Anita-detektorokat héliummal töltött léggömbök segítségével legalább 30 kilométeres magasságba engedik föl. Ehhez már a NASA közreműködése is kellett, amit 2006-ra sikerült megszerezni, ekkor szállt fel az első neurínóvadász ballon, rajta 32 rádióantennával. Ezzel a módszerrel azokat az ultramagas energiájú neutrínókat lehet tetten érni, amelyek - nagyon csekély reakciókészségük dacára - az univerzum legnagyobb energiájú részecskéi között vannak.

Az eredetük rejtély, de a fizikusok úgy hiszik, hogy hasonló folyamatok termékei, mint az ugyancsak ultramagas energiájú kozmikus sugárzás (amelyek eredete megint csak rejtélyes, de talán neutroncsillagok bocsátják ki őket).

Volt néhány nehezen megmagyarázható jel, amely akár neutrínóktól is származhatott, de a bizonyíték még várat magára. Bár technikailag bizonyos értelemben egyszerűbb a Déli-sark közelében léggömböt eregetni a magas légkörbe, mint több kilométer mélységben detektort építeni az óceánban, azért ez sem tekinthető sima irodai munkának. Gorham 2014-ben, a harmadik röptetés idején majdnem meghalt, amikor egy ismeretlen vírus támadta meg, miközben az Antarktiszon időzött. Új-Zélandra kellett azonnal evakuálni.

Köbkilométeres jégkocka

Az Anita tehát egyelőre nem váltotta meg a világot, és bizonyítottan mindeddig nem fogott egyetlen szemet sem a megcélzott neutrínókból. A felengedési helyétől nem messze azonban üzemel egy másik neutrínódetektor is, a Jégkocka (IceCube). Ez az obszervatórium a CERN kihelyezett kísérlete, és konkrétan a Déli-sarkponton építették, az ott üzemelő Amundsen-Scott sarkkutató bázison. És ez már detektált kozmikus neutrínót, a világon elsőként, 2013-ban. Sőt, egy neutrínónak sikerült már a forrását is visszakövetni, egy 4 milliárd fényévnyire lévő galaxisig.

Bár a neutrínóészlelés nem könnyű, szinte minden csillagász azt várja, hogy amint elég érzékennyé válnak a berendezések, és beindul a rutinszerű detektálás, a neutrínóteleszkópok új ablakot nyitnak az univerzumra, és ennek hasonlóan nagy hatása lesz a világegyetemről alkotott tudásunkra, mint a rádiócsillagászat beindulásának.

A neutrínódetektálások ritkaságából arra a(téves) következtetésre juthatunk, hogy ezek az elemi részecskék ritkák. Nos, nem annyira. Minden egyes másodpercben neutrínók billiói repülnek keresztül a testünkön fénysebességgel. Csak az anyaggal történő kölcsönhatásuk elképesztően ritka.

Gyakorlatilag minden radioaktív atommagbomlás termel neutrínókat, de ezek energiája nagyon nem ugyanolyan. A Földön keresztülhaladó neutrínók nagy többsége a Napból származik, és energiája csekély. A szupernehéz fekete lyukakból vagy az aktív galaxismagokból származó neutrínók a napneutrínókhoz képest egymilliárdszor több energiát tartalmaznak.

A világ legtisztább vize

A neutrínók szinte tökéletes reakcióképtelensége nemcsak kínszenvedéssé teszi a detektálásukat, de egyúttal rendkívül értékessé is teszi őket. Minthogy nem reagálnak szinte semmivel útjuk során, sokkal messzebb eljutnak a galaxisban, egyenes vonalban. Amikor itt, a földön esetleg elkapjuk őket, akkor ők gyakorlatilag semmiben sem különböznek attól az állapotuktól, mint ahogyan akár évmilliárdokkal ezelőtt útnak indultak, a világ szó szerint értendő másik végéről.

Egyik neutrínódetektor sem közvetlenül próbálja érzékelni a neutrínókat, hanem azok másodlagos hatását (legtöbbször elektromágneses sugárzását) figyeli, miközben áthaladnak valamilyen közegen, általában vízen. A világ legnagyobb, alacsony energiájú neutrínókat figyelő obszervatóriuma egy felhagyott japán bánya mélyén üzemel, ez a Szuper Kamiokande Obszervatórium.

Benne egy 40 méteres átmérőjű medencében 50 ezer köbméter víz hömpölyög, amely a legtisztább víz az egész világon. A medence falába 13 ezer érzékelőt építettek, amelyek a ritka kék fényfelvillanásokat detektálják, amelyek a neutrínók és a víz atomjainak kölcsönhatásából származhatnak.

Hiába ilyen nagy a Kamiokande detektor, az ultranagy energiájú neutrínók detektálásához pöttömnyi. Az általános szabály szerint, ha egy nagyságrendet emelkedik a neutrínó energiája, akkor század részére csökken a földön áthaladó részecskék száma. Márpedig, itt egymilliárdszoros energiakülönbségről van szó. Ehhez nagy medence kéne. A számítások szerint

Másfél kilométer mélyen befagyasztott kosárlabdák

Egy ilyen nagy medence építése annyiba kerülne, hogy abból több úszó-világbajnokság is kijönne. Itt jönnek a képbe a bolygó természetes neutrínódetektorai, az óceánok és a jégmezők. Az Antarktiszon a szovjetek építettek először neutrínódetektort, mélyen a jégbe ásva a nyolcvanas években.

Ez azonban közel sem volt elég érzékeny ahhoz, hogy eséllyel érzékelhesse akárcsak az elképzelhető legnagyobb energiájú neutrínókat is a kutatók (és a kutatók unokáinak) életében. Viszont ez alapozta meg az IceCube ötletét, de addig még sok időnek kellett eltelnie.

A szovjetek rádióhullámokra vadásztak, az amerikai fizikusok azonban lejjebb adták az elvárásaikat, és inkább látható fénysugarakat kezdtek keresni a jég mélyén. Minél magasabb a neutrínó energiatartalma, annál nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzást bocsát ki, ha a vízmolekulákkal reagál. Vagyis a kisebb energiájú, viszont legalább gyakoribb neutrínók nem rádióhullámokat sugároznak, hanem például látható fényt.

Így született meg 1990-ben Amanda (Antarktiszi Müon és Neutrínó Detektorsor). Hat évbe telt, míg egyáltalán be tudták üzemelni az Amundsen-Scott bázis területén. 2005-ben beolvadt utódjába, az IceCube projektbe.

Az Amanda szenzorai kosárlabdára hasonlították, és több százat süllyesztettek le belőlük a jégbe olvasztott lyukakba. A legmélyebbre helyezett érzékelő több mint másfél kilométeres mélységben volt felfüggesztve. Itt 20 ezer éves jégben figyelhette a neutrínók okozta kékes fényfelvillanásokat.

Miután a szenzorokat behelyezték a lyukakba, azok gyorsan újra befagytak. Így ezek az érzékelők elvileg évezredekig működhetnek, ellenben a víz alá süllyesztett szenzorokkal, amelyek alig várják, hogy beázzanak, vagy a magas nyomás tegye tönkre őket. Az Amanda 13 évig üzemelt, minden egyes másodpercben futtatott egy mérést, hátha akkor érkezik a várva várt fényfelvillanás.

Az IceCube mai üzemeltetői - akik jórészt azonosak az Amanda gazdáival - ma már igyekeznek az Amandát afféle pilot projektként értékelni, amely segített annak kitapasztalásában,hogy hogyan kell böhöm nagy, jégbe süllyesztett neutrínódetektort építeni.

A Jégkockában nem több száz, hanem több ezer szenzor üzemel, amelyek együttesen 50-szer nagyobb, egy köbkilométeres térfogatot fednek le, mint annak idején az Amanda. A szenzorok megsokasodtak, gyöngysorokra emlékeztetnek az őket függesztő dróton.

Több tucat neutrínó egy év alatt

Az obszervatórium szinte emberi beavatkozás nélkül üzemel. A felszínen ugyan van egy szervereket tartalmazó bódé, ahová hébe-hóba ellátogatnak a sarkkutató állomás alkalmazottjai, hogy újraindítsák a lefagyott gépeket, de alapvetően mindent a Wisconsini Egyetem Madisonban lévő kampuszáról irányítanak, és oda érkeznek az adatok is, gyakorlatilag valós időben.

Az IceCube mögötti elgondolás nem volt túl bonyolult az Amanda után. A kutatók úgy okoskodtak, hogy az Amanda elméletben jó ötlet volt, csak nem volt elég nagy. Szóval megépítették ugyanazt sokkal nagyobb méretben. És ez bejött. Alig három éve üzemelt még csak az obszervatórium, mikor 2013-ban detektálták az első kozmikus neutrínót.

Miután bizonyították, hogy a jég mélyébe rejtett szenzorok képesek detektálni az ultranagy energiájú neutrínókat, jött a következő kérdés: honnan jöttek ezek? Minthogy a neutrínók egyenes vonalban haladnak, a detektálás szögéből körülbelül meg lehet mondani, hogy merről jöttek. Csakhogy, mivel energiát sem veszítenek út közben, ebből még senki sem fogja tudni, hogy a lehetséges forrást 1 vagy egymilliárd fényévre lenne érdemes keresni.

Az energiaszintből azt is meg lehet saccolni, hogy milyen folyamat hozhatta őket létre. Az összeomló csillagok alacsonyabb energiájú neutrínókat indítanak el, mint a galaxismagok. Így sikerült 2017-ben a 4 milliárd fényévnyire lévő galaxist azonosítani az egyik érzékelt kozmikus neutrínó forrásaként. Ennek meghatározásához 20 más obszervatórium mérési adatait használták fel, amelyek a legkülönbözőbb sugárzásokat mérték a beazonosított galaxisból.

Az IceCube utóda (IceCube Gen2), ha megépül, az eddigi sémát követve még sokkal nagyobb, még érzékenyebb, és az érzékelt részecskét irányát tekintve még nagyobb felbontású lesz. Ehhez még el kell nyerniük az amerikai Országos Tudományos Alapítvány (NSF) áldását, hiszen az osztja a pénzt. A következő 10 éves kutatási prioritásokat meghatározó tervet jövőre teszik közzé, és ez dönti majd el, hogy megkapja-e a második generációs Jégkocka a 300 millió dolláros árát.

(Borítókép: neutrínóészlelés egy buborékkamrában. Fotó: DeAgostini / Getty Images)