Hová lettek a napneutrínók? A Gólem 2. Előadás Hová lettek a napneutrínók? Nádasi Eszter BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék 2014/2015 I. félév- KEDD

Miről lesz szó? Esettanulmány: egy óriási presztízsű (részecske)fizikai alapkutatás, mely az univerzum működésén belül a csillagok fúziós folyamatait volt hivatott kutatni egy kísérlet, amely a várakozások ellenére nem talált elegendő Napból jövő neutrínót; Központi kérdés: Mi történik, ha egy igen összetett elmélet jóslata nem válik be? Hibakeresés! Hogyan keressük, hogyan találjuk meg a választ? Hol a hiba? a számolásban? a készülékben? az elemi kölcsönhatások elméletében? a világűrben? a Napban? ...pontosabban: a Napról szóló elképzeléseinkben? Fogalmak: Anomália; Aluldetermináltság; A kísérletek elméletfüggése; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A Nap Honnan tudjuk mindezt? Sok mindent tudunk róla- például: Sugarai nagyjából a csillag rádiuszának negyedével egyenlők; Magfúzió útján energiát és héliumot termel; Energiatermelés közben a saját tömegének 75%-át kitevő hidrogént fogyasztja; Ezek a folyamatok a Nap magjában mennek végbe; A magban több mint 15 millió fok a hőmérséklet… Honnan tudjuk mindezt? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A Napról szóló ismeretek forrása Van néhány globális adatunk: Tömeg; Kiterjedés; Összes leadott energia; De majdnem minden közvetlen mérési technikánk a Nap felszínéről ad csak információt: Hőmérséklet; Anyagi összetétel; A Nap belsejéről elsősorban elméleti modelljeink vannak: Ezeknek illeszkedniük kell az általános fizikai ismereteinkhez és a fenti peremfeltételekhez Honnan tudjuk, hogy jók ezek a modellek? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Csillagfejlődési elméletek A nukleáris reakciók felismerése óta egyre komplexebb csillagfejlődés-elméleteink vannak: A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A csillagmodellek jóslata Az elmélet szerint a fúzió folyamatában óriási mennyiségű neutrínó keletkezik a Nap belsejében: ezek a neutrínók zavartalanul kijutnak a Nap belsejéből, minden irányban nagyjából egyenletesen terjednek; mindeközben alig lépnek kölcsönhatásba az „anyaggal” (bolygónkat is beleértve); becslések szerint a Föld minden Nap felé néző négyzetcentiméterét 65 milliárd neutrínó szeli át másodpercenként! Bár a neutrínó nagyon nehezen, de azért detektálható, és ez az óriási szám a hatvanas évek eszközeivel már mérhető volt. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Mi az a neutrínó? Elektromosan semleges, kizárólag gyengén kölcsönható részecske, nagyon-nagyon kis tömeggel; A neutrínók felfedezése: 1930-ban vetette fel létezésüket Wolfgang Pauli: azt veszi észre, hogy a radioaktív bomlások során hiányzik némi energia; 1933-ban Enrico Fermi nevezte el, és alkotta meg a béta-bomlás (később az ún. „gyenge kölcsönhatás”)első elméletét; 1956-ban Clyde Cowan és Frederick Reines kísérletileg is rámutat a neutrínók létezésére: Reines 40 évvel(!) később, 1996-ben kapott Nobel-díjat 1962-ben kimutatták, hogy több fajtája létezik: elektron-, müon- és tau-neutrínó… _ A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A Davis detektor Főszereplőnk, Ray Davis Jr. ifjú vegyész korában a Brookhaven Laboratóriumban kifejlesztett egy detektort: egy klóros vizet tartalmazó, neutrínóknak kitett tartályban nagy ritkán történik egy-egy reakció, aminek során egy klóratomból argonatom keletkezik; az argont tartalmazó molekulákat ki lehet vonni a tartályból; mivel a keletkezett argonatomok radioaktívak, viszonylag könnyen mérhető a mennyiségük; Természetesen ez is háborús eredetű ötlet volt... ilyen elven próbáltak nukleáris jelek után kutatni német területek felett; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A Davis detektor A detektor nem csak háborús célokra alkalmazható- Davis az atomreaktorok jellemzőinek mérésére akarta használni de azonban nem jó! Az 1954-ben elvégzett kísérlete semmit sem mért a reaktorok közelében  a reaktorban ugyanis (ma már tudjuk) antineutrínók keletkeznek, az ő készüléke pedig azokat nem észlelte; Két évvel később ugyanannál a reaktornál Cowan és Reines hasonló kísérletet végzett: ez más elemi reakción alapult, érzékeny volt az antineutrínókra is; 1996-ban el is nyerték a Nobel-díjat a részecske első kísérleti kimutatásáért; Davis kísérlete pedig utólag bizonyíték lett arra, hogy a neutrínónak létezik egy anti-részecskepárja is. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A napneutrínók nyomában Mihez lehet kezdeni a Davis-féle detektorral? William Fowler, az egyik legnevesebb asztrofizikus javasolta Davisnek, hogy eljárását a Napból érkező neutrínók mérésére használja (= a csillagmodellek tesztelésére) ott ugyanis valóban „rendes” neutrínók keletkeznek; Fowler egyik tanítványa, John Bahcall, Davis mellé szegődött elméleti fizikusnak; 1967-re, évtizedes munkával összeállt a kor léptéke szerint óriási kísérlet- lépések… A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A kísérlet tervezése Számos megoldandó probléma akadt: A jósolt eredmény becsléséhez nagyon sok fizikai elméletet, szakterületet kellett mozgósítani (elmélet és szakértelem igényes kísérlet) A készüléket a lehető legjobban el kell zárni a kozmikus sugárzás háttérzajától – ezért minél mélyebbre kell tenni, lehetőleg egy bányába; Minden egyéb argonforrást gondosan ki kell szűrni; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A kísérlet tervezése De mindenekelőtt természetesen pénz kellett: kb. $600.000, ami akkori árak mellett elég tetemes, főleg egy olyan kísérletre, ami csak egy mérésre használható… Támogatás: Cikkeket írtak a legjobb lapokba, Fowler minden tekintélyét bevetette, meggyőző levelet írt volt kollégájának, az állami pénzeket osztó Atomenergetikai Bizottság elnökének; A korszak tekintélyes részecskefizikusai így is húzódoztak egy drága és nem túl megbízható kísérlet finanszírozásától; Az ábrán jól látható, hogy Bahcall számításai jóval markánsabb jóslatokat tettek a pályázás éveiben, mint azután! A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A kísérlet tervezése Miután meglett a szükséges pénz és támogatás, már csak egy megfelelő helyszín kellett: Egy év tárgyalás után Davis talált egy bányavállalatot, amelyik beadta a derekát (valószínűleg azért, hogy kedvében járjon a projektet támogató Atomenergetikai Bizottságnak, amely potenciális megrendelő volt a számára...) A Homestake-kísérlet paraméterei: 1500 méterrel a föld alatt, Dél-Dakotában, a Homestake Mining Co. vállalat egy használaton kívüli aranybányájában; Uszodányi, 380 m3 tisztítófolyadék (tetraklór-etilén) használatával, amit a gyártó cégtől kértek kölcsön; A kísérlet 1967 nyarán kezdődött: Egy hónap akkumuláció után Davis átszűrte a tartályt, megmérte a benne lévő argont, és... A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Az eredmények Határozottan kevesebb neutrínót talált a jósolt eredménynél… Fél év gondos ellenőrzés, független szakértői vizsgálat és újrakalibráció után Davis publikálta, hogy a várt eredményeknek kb. harmada, kevesebb mint napi két átalakuló atom volt megfigyelhető; Egy évtized gondosan felépített elméleti építménye forgott veszélyben… Davis kísérletező tekintélye csorbítatlan maradt; Bahcallt nagyon megviselte az eltérés – eleinte megpróbálta úgy alakítani a számításokat, hogy közelebb kerüljön a mérésekhez, de ezzel számos kolléga támadásának került a kereszttüzébe; Végül ő is elfogadta az eltérést… könnyen lehet, hogy Feynman tanácsára, aki szerint egy felfedezett anomália nagyobb dobás, mint egy megerősítő eredmény A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Az eredmények Ezzel megszületett a „hiányzó napneutrínók problémája”, ami több mint három évtizedig az asztro- és részecskefizika egyik legfőbb megoldatlan rejtélye maradt: A Gólem írásakor még bőven az is volt, Trevor Pinch és Harry Collins nyitottként mutatják be az esetet: úgy gondolták, hogy a Nap mélyébe néző kísérlet, és a negatív eredményt követő viták a tudomány mélyébe nyújtanak bepillantást; Ma már a fizikusok egyértelműen megoldottnak látják a problémát:  ezért mi itt bemutatjuk ezt a végkifejletet; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Megoldások a problémára A jóslat be nem teljesülésének elismerése után a figyelem a kísérlet részletei felé fordult: Davis eljárását és kalibrációs technikáját egyre kifinomultabb kritikák érték; Davis ezekre türelmesen és lelkiismeretesen válaszolt, végrehajtva a kért módosításokat és óvintézkedéseket; A negatív eredmények egyre inkább stabilaknak tűntek A 70-es évek végére már mint „tudományos hősre”, a kísérletező ideáltípusára tekintettek pályatársai; A 80-as évek közepétől egymástól független és sokszor más elveken nyugvó újabb kísérletek születnek, kizárva további potenciális hibaforrásokat és elméleti lehetőségeket; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Megoldások a problémára A kísérleteket látva a különféle részterületek képviselői egymásra mutogattak: Egy asztrofizikus szerint például a keletkezett argon egy része bizonyára „csapdázódik” egy kémiai folyamat következtében, és ezért nem tudja Davis rendesen megszámolni azokat; A legtöbben a Napmodelleket kritizálták: hibás a Napmodell? lehet, hogy több benne a nehézfém? Vagy több benne az áramlás? Esetleg korábban ütközött egy nagyobb égitesttel, ami átalakította az összetételét? Lehet, hogy nem is hidrogénfúzió folyik a Napban? És mi van, ha a neutrínók útközben „elfogynak”, átalakulnak valami mássá? Ne feledjük: a nap magjának pontos összetétele ismeretlen- ez az összetétel azonban összefüggésben áll a neutrínó termeléssel! 1978-ig több mint 400 tudományos cikk született, a legkülönfélébb megoldási javaslatokkal. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Megoldások a problémára A kilencvenes évek elejére két lehetőségre szűkítették a probléma megoldásait: vagy a Nap belső hőmérséklete tér el a modellek által feltételezettől (6% eltérés már illeszkedne az eredményekhez!)… vagy pedig egy ismeretlen fizikai mechanizmus lecsökkenti a neutrínók számát az idevezető 150 millió kilométeres út során… A Napmodell esetében a bemenő tulajdonságokon való változtatás nem célravezető- mert ezek ellentmondásba kerülnek a Nap megfigyelhető tulajdonságaival; 1998 körül már elég biztosan ki lehetett zárni az első eshetőséget a legújabb „naprengés-vizsgálatok” fényében; a Nap felszínén megfigyelhető lökéshullámok nagy pontossággal egyeztek a modell eredményeivel. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A tudományos közösség ezek után nagyon gyorsan konszenzusra jutott; A megoldás Maradt végül a második opció, ahol is egyre inkább kiemelkedett egy konkrét megoldási lehetőség- a neutronoszcilláció jelensége: Ez annyit tesz, hogy a kibocsátás és az észlelés között a neutrínók egy része más részecskévé (másfajta neutrínókká) alakul  ez a detektorok számára már nem észlelhető! Ezt a jelenséget 2001-2003 között sikerült a Nap neutrínóitól függetlenül kimutatni; Méghozzá az elméleti jóslatokkal nagy pontossággal egyező mértékben. A tudományos közösség ezek után nagyon gyorsan konszenzusra jutott; A legújabb kísérletek már ezen folyamat részleteinek a kimérését célozzák. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Neutrínódetektorok és -kísérletek Homestake Mine, USA HS-Chlorine (1967–1998), Majorana (2011–) Kamioka, Japán KamiokaNDE I–II–III (1986–1995), Super-K I–II–III (1996–), K2K (1999–2004) KamLAND (2002–) Baksan-völgy, Oroszország SAGE (1990–2006) Gran Sasso, Olaszország GALLEX (1991–1997), GNO (1998–2002), BOREXINO (2007–), OPERA (2008–) Fermilab, USA LSND (1993–1998), DONUT (1997), MINOS (2005–), MiniBooNE (2002–), SciBooNE (2007–2008), NOvA (2010–) Sudbury Neutrino Observatory, Kanada SNO (1999–2006), SNO+ (2011–) Chooz, Franciaország CHOOZ, Double CHOOZ (2011–) Daya Bay, Kína Daya Bay Reactor Neutrino Experiment (2011–) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Konklúziók Van olyan eset, hogy egy-egy mérés eredménye alátámaszt egy elméletet, azonban soha nem igazolja azt egyértelműen; Épp így (a falszifikácionizmus ideáljával szemben) a cáfolat sem egyértelmű, hiszen a cáfolat „iránya” aluldeterminált: nem tudhatjuk bizonyosan, hogy az elméletnek vagy a kísérletnek higgyünk inkább, illetve melyiknek mely elemét korrigáljuk… Ha egy mérés egy elmélet igazolásának vagy cáfolatának is látszik, akkor is még számos emberi tényezőt kell számításba vennünk, és semmiképpen sem érdemes véglegesnek tekintenünk az eredményeket. Fel kell adnunk a döntő kísérlet mítoszát, hiszen jól látszik, hogy az ilyen kísérletek nagyon sokféleképpen értelmezhetők, „döntővé” nyilvánításuk és népszerűségük pedig számos „külső” tényezőtől is függ.