A Gólem 2. Előadás

1. A Gólem2. Előadás Hová lettek a napneutrínók? Nádasi Eszter BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék 2014/2015 I. félév- KEDD

2. 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

3. A Nap • 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

4. 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

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

6. 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

7. 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 ClydeCowan 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

8. 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

9. A Davis detektor • A detektor nem csak háborús célokra alkalmazható- Davis az atomreaktorok jellemzőinek méréséreakarta használni de azonban nem jó! • Az 1954-ben elvégzett kísérlete semmit sem mért a reaktorok közelében  a reaktorban ugyanis (ma már tudjuk)antineutrínókkeletkeznek, az ő készüléke pedig azokat nem észlelte; • Két évvel később ugyanannál a reaktornál Cowan és Reineshasonló 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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 HomestakeMining 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

14. 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

15. 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, TrevorPinch 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. A megoldás • Maradt végül a második opció, ahol is egyre inkább kiemelkedett egy konkrét megoldási lehetőség- a neutronoszcillációjelensége: • 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

20. Neutrínódetektorok és -kísérletek • HomestakeMine, 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) • GranSasso, 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–) • SudburyNeutrinoObservatory, Kanada • SNO (1999–2006), SNO+ (2011–) • Chooz, Franciaország • CHOOZ, DoubleCHOOZ (2011–) • DayaBay, Kína • DayaBayReactorNeutrinoExperiment (2011–) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

21. 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.