Megjelenik: Élet és Tudomány, 2000-06-14

A napneutrínók rejtélye

HONNAN ERED A NAP MELEGE?

Századunk első felének egyik legalapvetőbb felfedezése, hogy a Nap energiatermelése fúziós magreakciókkal magyarázható. Ma már a középiskolai fizikatankönyvekben is szerepel, hogy a Nap olyan fúziós reaktornak tekinthető, amely önmagát szabályozza, és képes beállítani energiatermelését egy állandó szintre. A legújabb csillagászati mérések azonban arra mutatnak, hogy a Nap és a csillagok energiatermelésében szerepet játszhat egy robbanásos jellegű fúziós magreakció is, amelyet eddig nem vettek figyelembe. Ez képes összeköttetést biztosítani a Nap magja és a felszíni naptevékenység között. 2000. június 16–21 között tartják a Sudbury Neutrínó Obszervatórium (SNO) első nemzetközi konferenciáját – az itt bejelentett eredmények a naptevékenység eredetére is választ adhatnak.

Már a múlt században felismerték, hogy a Nap nem fedezheti kisugárzott energiáját kémiai égéssel. A fizikus Lord Kelvin kiszámította, hogy a Nap egészének gravitációs összehúzódásából felszabadítható energia is csak pár tízezer évre lenne elegendő. A geológusok azonban jelezték, hogy a Föld életkora több milliárd év. Így ebből a tudományágak közti eszmecseréből kiderült, hogy a Napnak is több milliárd évesnek kell lennie. Eddington vette észre először, hogy a Nap hosszú távú energiaforrása a magenergia kell legyen. Bethe munkatársaival a harmincas évek végén fedezte fel a hidrogént héliummá elégető, és a tömegkülönbségnek megfelelő magenergiát felszabadító proton-proton és szén-nitrogén-oxigén ciklust. Bethe a csillagok energiatermelését megvilágító elméletéért 1967-ben Nobel-díjat kapott. Egy kérdés azonban mindmáig nem tisztázódott teljes biztonsággal: a Nap teljes energiatermelésében mekkora részt vállal a proton-proton (pp) és a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus? Vajon ketten együtt tényleg kiadják-e a Nap teljes energiatermelését, vagy emellett más típusú magreakciók is szerepet játszanak? Ezekre a kérdésekre a neutrínódetektorok megépítésétől várták a választ.

Az elveszett neutrínók

A ma általánosan elfogadott standard napmodell szerint a Nap magjában uralkodó 10-15 millió fokos hőmérsékleten a pp ciklus adja az energiatermelés 98,5 százalékát és a CNO ciklus a maradék 1,5 százalékot. A standard napmodell első kísérleti ellenőrzését a Homestake neutrínódetektor tette lehetővé, amely 1970-ben kezdte meg méréseit. Az első eredmények azonban óriási meglepetésre a standard napmodell alapján vártnál négyszer kevesebb neutrínót mutattak ki. A standard napmodellben azonban akkor termel kevesebb neutrínót a Nap magja, ha alacsonyabb a hőmérséklete. Ám alacsonyabb hőmérséklet mellett – úgy tűnt – a Nap nem képes annyi energiát termelni, mint amennyit a felszínen kisugároz. A későbbi, független neutrínódetektorok, a Kamiokande, a SAGE és a GALLEX szintén a standard értéknél kisebb neutrínóáramot mértek, és így megerősítették a hiányzó napneutrínók problémáját.

A kérdésre alapvetően két irányban kereshetjük a választ. Az egyik lehetőség az, hogy nem ismerjük eléggé a Nap valódi fizikai viszonyait, és esetleg ezek közül van egy olyan, amelyet a standard napmodell nem vesz figyelembe, viszont a valódi Napban fontos szerepet játszik, és a neutrínótermelés csökkenésére vezet. A másik lehetőség, hogy a Nap fizikáját jól ismerjük, és így a Nap nem termel a standard modellbelinél kevesebb neutrínót, mi mégis kevesebbet észlelünk a Földön – mert a neutrínók a Napból a Föld felé tartó útjukon elbomlanak, átalakulnak olyan neutrínókká, amelyeket az eddigi neutrínódetektorok nem tudtak kimutatni.

A standard napmodell szerint a Nap gömbszimmetrikus, benne a pp (98,5 százalék) és a CNO (1,5 százalék) ciklus termeli az energiát, a felszín alatti konvekciós zónától eltekintve (ahol a víz forrásához hasonló jelenség lép fel) lényegében nyugalomban van. Az évtizedek során kiderült, hogy nem lehetséges olyan nem-standard napmodell, amely ezeket a feltételeket elfogadja. És mivel ezeket a feltevéseket, úgy tűnt, nem lehet megkerülni, a nem-standard napmodelleket néhány éve elvetették.

Maradt tehát az a lehetőség, hogy a Nap fizikáját jól ismerjük, de a neutrínókét nem, és így a neutrínók menet közbeni átalakulása a felelős a neutrínó-hiányért.

Egymásba alakuló részecskék?

Pontecorvo már fél évszázada felvetette, hogy a kvarkokhoz hasonlóan, amelyeknek három fajtája képes egymásba átalakulni, a neutrínók három fajtája (az elektron-, a müon- és a tauneutrínó) is egymás közötti átalakulásra hajlamos. 1998-ban ez a felvetés kísérleti alátámasztást is kapott. A japán SZUPER-KAMIOKANDE neutrínódetektor kimutatta, hogy a Föld légkörébe belépő kozmikus sugárzás keltette légköri neutrínók legalább egyike (a müonneutrínó) olyan jellemzőket mutat, amely megfelel a müonneutrínók tauneutrínókká alakulásakor fellépő viszonyoknak. Így tehát könnyen meglehet, hogy a Nap pp-ciklusában termelődő elektronneutrínók is részben átalakulnak müon- és/vagy tauneutrínókká, és ez mindenesetre kevesebb Földön kimutatott neutrínót eredményez, ugyanis a Homestake és a Gallex kísérletek csak az elektronneutrínókat képesek észlelni. A KAMIOKANDE és a SZUPER-KAMIOKANDE ugyan képes a müon- és a tauneutrínókat is kimutatni, de ezekre jóval (hétszer) kevésbé érzékeny.

Úgy tűnhet, minden a legnagyobb rendben van: a hiányzó napneutrínók megvannak, csak éppen müon- és tauneutrínók formájában. Igen ám, de ez mindmáig csak egy olyan elméleti feltevés, amelyet közelebbről meg kell vizsgálni ahhoz, hogy elfogadhassuk. Tény, hogy a neutrínók átalakulása elvileg megoldhatja a neutrínóproblémát; csakhogy a megoldás túlságosan valószínűtlennek és erőltetettnek bizonyul. 1998-ban ugyanis az első standard napmodell kidolgozója, John Bahcall és munkatársai kimutatták, hogy a Szuper-Kamiokande detektorral észlelt neutrínók között a standard modell szerintinél jóval több a nagy energiájú neutrínó. Ha ezt is figyelembe vesszük, akkor a magyarázat valószínűsége, elfogadhatósága 7 százalékra csökken. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a neutrínóátalakulás 93 százalék valószínűséggel kizárható! Az igazság az, hogy ma elég nagy a zűrzavar ebben a kérdésben: különféle szerzők 5 és 30 százalék közötti valószínűségeket adnak meg a neutrínóátalakulás elfogadhatóságára. Ez olyan csekély, hogy érdemes lenne más tényezőket is figyelembe vennünk!

Vissza kell térnünk a Nap fizikájának részletesebb vizsgálatához. Ha a neutrínók átalakulása nem jó magyarázat, akkor a Nap a valóságban kevesebb neutrínót kell termeljen. Lehetséges ez? Bár ezt mindmáig a legtöbb szerző kizártnak tartja, úgy tűnik, egy lényeges körülmény elkerülte a figyelmet: csak akkor lehetséges, hogy a Nap a vártnál kevesebb neutrínót termeljen, ha a pp és CNO ciklusokon kívül egyéb reakciók is közrejátszhatnak az energiatermelésben.

Árulkodó naptevékenység

Először is tudomásul kell vennünk, hogy a Nap egyáltalán nem úgy viselkedik, mint ahogy ezt a standard napmodell megköveteli. A Nap nem egy merő gázgömb, amely csak évmilliárdos távlatban mutat észrevehető változásokat. A Nap rendkívül figyelemreméltó jelenségkörrel bír: a naptevékenységgel*. Ha a széknek külön tudománya lenne, és a székek olyan jelenségeket mutatnának, amit a Nap: például időnként foltok jelennének meg rajtuk, ezek környékéről hirtelen gyors felvillanások tűnnének fel, anyagkitörések indulnának el, és e jelenségek érdekes szabályszerűségeket is mutatnának a véletlenszerűség mellett, ezt a jelenséget a szék tudósai bizonyára elsőrangú jelentőségűnek tartanák a szék természetének tanulmányozásában. Az öntevékenység ugyanis meglehetősen szembetűnő és figyelemreméltó jelenség. Valamiféle oknál fogva azonban a Nap kutatói, bár mindannyian jól ismerik a naptevékenység jelenségkörét, mindmáig nem tulajdonítottak semmiféle alapvető jelentőséget a naptevékenység létének. Egyszerűen úgy tartják, hogy a naptevékenység jelei, a foltok és napkitörések jelentkezése csupán légköri jelenségek, a földi villámokhoz hasonló elektromágneses kisülések. Amivel ugyan nem magyarázták meg a jelenséget, ugyanis a földi villámokat létrehozó jelenségeket sem ismerjük eléggé, például az időjárási viszonyokból nem tudjuk előre jelezni, mikor és hol fog megjelenni egy-egy villám.

A naptevékenység azonban érdekes jelenségek valóságos tárházával áll kapcsolatban. Egyik furcsa sajátsága a nagy napkitöréseknek, hogy körzetükben a Nap felszíne a napmaghoz kötött forgást mutat, eltérően a napfelszín általános vándorlási tendenciáitól. Ez a jelenség a földi “forró foltok”-ra emlékeztet. A Föld mintegy 130 körzetében ugyanis a vulkánok kürtői nem vesznek részt az általános kontinensvándorlásban, hanem a Föld magjának határához kötöttek, és így a fölöttük elmozduló kontinenseket az évmilliók múlásával új és új helyen lyukasztják át. A vulkáni eredetű Hawaii-szigetek egymás után létrejött, majd kialvó vulkáni lánc-sora így a kontinensvándorlás és a forró foltok mélységi eredetére egyaránt utal.

Egészen biztosan állíthatjuk, hogy a Nap fizikáját alapvetően nem értjük. Ezt bizonyítja, hogy a legjobbnak tartott standard napmodellek szerint a Nap magjának gyors (a felszíninél négyszer-tizenötször gyorsabb!) forgásban kellene lennie. Ennek oka, hogy a Nap minden valószínűség szerint egy lassan forgó ősködből keletkezett összehúzódás révén. Az összehúzódó köd azonban egyre gyorsabban kellett forogjon, hasonlóan a műkorcsolyázóhoz, aki behúzza kiterjesztett karjait, s ettől pörgése felgyorsul. Ismert azonban, hogy a Nap felszíni forgása a többi hasonló tömegű csillagéhoz képest lassú. Ennek oka, hogy a Nap felszíne mágneses tere révén állandó kölcsönhatásban áll a bolygóközi térrel (a helioszféra a Plútón túl végződik!), és ez a kölcsönhatás állandóan fékezi a Nap felszíni rétegeit, ahonnan a feltevés szerint a mágneses erővonalak kiindulnak. Ha a mágneses erővonalak a felszín alatti konvekciós zónában végződnek, akkor a lassulásnak erre a körzetre kellene kiterjednie, és ez alatt – fékező hatás hiányában – a Nap magjának meg kellene őriznie eredeti, gyors forgását. Csakhogy ez a legújabb naprengési mérések szerint egyáltalán nem így van! A Nap magjának forgási sebessége ugyanis majdnem teljesen megegyezik a felszínével (az eltérés legfeljebb plusz-mínusz 30 százalék lehet). Ez viszont azt jelzi, hogy a Nap magja valamilyen módon szintén lefékeződött – a mágneses erővonalak tehát kiterjedhetnek a Nap magjáig is!

A Nap mágneses terének eredete mindmáig nem ismert. Az azonban bizonyos, hogy a naptevékenység mágneses eredetű. Ha viszont a mágneses tér kiterjed a Nap magjára is, akkor a naptevékenység is a magból eredhet! De mi bírja mozgásra, változásra a Nap eredeti, az ősködből fennmaradt mágneses terét? Könnyebb erre a kérdésre választ találni, ha figyelembe vesszük, hogy a Naprendszer sok égitestjének van mágneses tere, és minél közelebbi és nagyobb holdjuk van a bolygóknak, annál nagyobb a mágneses terük. 1983-ban Oldrich Novotny cseh geológus kimutatta, hogy a bolygók mágneses tere és holdjaik árapályhatása között egyenes arányosság áll fenn. Ezért feltehető, hogy a Nap mágneses terének változásaiért a bolygók keringése folytán változó árapály-erő a felelős. Wood 1972-ben észrevette, hogy az utóbbi 300 évben, amióta a napfoltokat rendszeresen megfigyelik, a napfoltok 11 éves ciklusa jó párhuzamot mutat a bolygók Napra gyakorolt árapályhatásával. Így tehát már két olyan tényezőnk van, amely minden jel szerint szerepet játszik a naptevékenység és a Nap mágneses ciklusának beindításában: a Nap magját átható mágneses tér és a bolygók árapály-hatása.

Robbanásos energiatermelés?

E sorok írója cikkek sorozatában vetette fel, hogy a Nap fizikája fontos új ismereteket rejt még magában. Olyan jelenségek lépnek fel, amelyek szerepet játszanak a Nap energiatermelésében és így a neutrínó-problémában is figyelembe kell venni őket. Az elgondolás lényege, hogy a bolygók árapályereje a Nap magjában olyan hullámokat indít el (a Nap és a Hold által a Földön elindított árapályhullámokhoz hasonlóan), amelyek a magban jelenlevő mágneses térbe ütközve eltérülnek (mivel elektromos töltésekből, plazmából állnak), így elektromos teret hoznak létre. Az elektromos tér a számítások szerint a fűtési körzetben képes tízmillió fokról százmillió fokra melegíteni a plazmát. Ezen a hőmérsékleten azonban a magreakciók önerősítővé válhatnak, ugyanis minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabbak a magreakciók, és így annál több hőt termelnek, ami még tovább gyorsítja a körzet energiatermelését. Robbanásos energia-felszabadulás jön létre egy forró, 200 méter átmérőjű buborékban, amely gyorsan emelkedni kezd a Nap felszíni rétegei felé (eközben előtte összetorlódnak a mágneses erővonalak). A buborékban ilyen hőmérsékleten persze már nem a szokásos pp és CNO ciklussal zajlik az energiatermelés, hiszen azok csak a nyugodt, álló napmagra jellemzőek (10-15 millió fokon).

A számítások szerint a forró buborékok elsősorban a forró CNO-ciklussal termelnek energiát, és emellett müon- és tauneutrínókat is képesek magas hőmérsékletük révén létrehozni. Figyelemreméltó, hogy a termelt neutrínók energia szerinti eloszlását is módosítják – így például megnövelhetik a nagy energiájú neutrínók számát, amire a SZUPER-KAMIOKANDE mérései is utalnak. A forró buborékok tehát nemcsak a neutrínó-probléma megoldásában, hanem a napfizika egész sor megoldatlan rejtélyében lényeges szerepet játszhatnak. Éppen ezért rendkívüli jelentőségű, hogy az egy éve működő SNO új neutrínódetektor milyen eredményeket ad 2000 júniusában a nagy energiájú neutrínók oszcillációjára vonatkozóan. 2002-re várjuk annak a neutrínódetektornak (a BOREXINO-nak) az első eredményeit, amely a közepes energiájú neutrínók mérésével egy még fontosabb tartományban ad választ a neutrínók eredetének és viselkedésének máig megoldatlan problémáira.

Grandpierre Attila

a fizikai tudomány (csillagászat) kandidátusa