Neutrínók és a téridő szimmetriái
(A tudományos szentségtörés etikai szabályai)
A neutrínók fizikája közel évszázados története során legalább háromszor került konfliktusba a természettörvények szimmetriájáról aktuálisan érvényes tudományos felfogással. Volt, mikor a törvények bizonyultak időtállónak, és volt, mikor a neutrínó-fizikában szerzett tapasztalatok hatására alapvetően meg kellett változtatni a téridő szimmetriáiról vallott tudományos álláspontot. E cikkben ezeknek a kiélezett helyzeteknek a felidézésével a tudományos közösség tagjai számára feltétlenül követendő kutatói magatartás példáit szegezzük szembe egyes kortárs kutatóknak az áltudományos magatartás jegyeit hordozó fellépésével.
A szentségtörés kísértése: lemondás az energia megmaradásáról?
20Rutherford kísérletét követően egészen a neutron 1932-es felfedezéséig az volt az általánosan elfogadott kép a Z rendszámú elem atommagjának szerkezetéről, hogy abban az atomszámmal ( ) egyező számú proton és számú elektron található. A béta-sugárzást az egyik elektron-alkotórész spontán kilökődéseként értelmezték. 1914-ben James Chadwick fokozatosan növelt erősségű mágneses tér alkalmazásával a radon béta-sugárzásának fokozatosan növekvő energiájú összetevőit késztette adott sugarú pályán való mozgásra. A pálya érintőjén elhelyezett detektorral felvette a spektrumot (a jobb oldali ábrán az eredeti mérés illusztrációja látható).
Az görbe az elektronok számát, a ionizáló hatásuk mértékét mutatja. Nyilvánvaló, hogy a spektrumban egy folytonos komponens is jelen van. A folytonos komponens ellentmond annak, hogy a bomlásban szereplő magállapot (mind a bomlás előtt, mind utána is) határozott energiájú. Néhány évig a fizikusok elfogadták L. Meitner spekulatív magyarázatát, miszerint a keletkező elektronok energiájának diszkrét voltát másodlagos hatásként a mag nagy intenzitású elektromos terében mozgó elektronok által kibocsátott gamma-sugárzással elvitt energia szünteti meg.
C. D. Ellis és W. A. Wooster 1925–27 között a bizmut 210-es izotópjának béta-sugárzásában keletkező elektronok teljes hőleadását mérte. A mérés a feltételezett kísérő foton energiájából származó hőelnyelésre is érzékeny volt, ezért a feltételezett másodlagos energiaváltozás kiküszöbölésével elvárható lett volna, hogy a teljes energialeadás minden bomlásra egyezzen a mért maximális elektronenergiával. Ehelyett az egy elektronra jutó teljes energialeadás egybeesett az elektronok átlagenergiájával. Ezt az eredményt Meitner és Orthmann mérései 1930-ban megerősítették.
Niels Bohr készen állt a klasszikus fizika minden törvényének megkérdőjelezésére
Niels Bohr világhírét éppen annak köszönhette, hogy egyszerű szabályban fogalmazta meg a klasszikus atomi mozgás mechanikájának módosítását. A Bohr-modell megszüntette a klasszikus mechanika fogalmainak korlátozás nélküli alkalmazhatóságába vetett hitet. Ez a tapasztalat arra vezette, hogy bármely klasszikus fizikából származó koncepció érvényességét újra meg újra kritikusan elemezze. A korábbi fizika bármely törvényének szentségét megkérdőjelező felfogással már 1929-ben felvázolta a béta-sugárzás jelenségének egy olyan értelmezését, amely megengedte, hogy az egyes béta-sugárzási eseményekben más és más energiájú elektronok keletkezzenek. Feltételezése szerint a kezdeti és a végső atommag energiájának megváltozása csak statisztikai átlagában egyezik a kilökődő elektron energiájával. Elképzelését levélben osztotta meg Wolfgang Paulival, aki (elismerve, hogy a jelenségre nincs magyarázat) az energia minden egyes elemi eseményben megkövetelt megmaradásáról való lemondást túlságosan súlyos árnak tekintette, és Bohrt eredményesen rávette az elképzelés publikálásától való tartózkodásra.
A szimmetriák Emmy Noether felismerését követően kerültek a fizikai jelenségek elméleti értelmezésének centrumába
Emmy Noether 1915-ben bizonyított tétele óta ismert, hogy az energia megmaradása egy folyamatban a természet időeltolási szimmetriájának a következménye, ami azt jelenti, hogy az időmérés kezdőpontja a folyamat (ez esetben a béta-bomlás) időbeli lefolyásának követésekor tetszőlegesen választható meg/eltolható. Bohr tehát a kezdőpont tetszőleges választásának elvét készült feladni. Ernest Rutherford, értesülvén Bohr elképzeléseiről, egy látnokinak nevezhető, enyhén kicsavart shakespeare-i idézettel intette: ,,There are more things in heaven and earth, [Horatio,] than are dreamt of in [y]our philosophy.” Ahogy egy látnokhoz illő, ebben a megjegyzésben nincs semmi konkrétum, de elég meggyőzően int óvatosságra, amennyiben bármely elképzelést idejekorán előnyben készülünk részesíteni a többivel szemben.
Bohr mindezek ellenére 1930. május 8-án Londonban, a Királyi Kémiai Társaság előtt tartott Faraday-előadásában beszámolt elképzeléséről, bár annak két évvel későbbi írott változatában már csak egyetlen félmondatban jelezte, hogy a béta-sugárzás sajátos tulajdonságai ,,az energia és az impulzus fogalmának a magfizikában való korlátozott alkalmazhatóságára utalnak”. Elképzelésének részletes kifejtését az 1931 októberében Rómában rendezett nemzetközi magfizikai konferencián tartott előadásának Atomic stability and conservation laws címmel 1932-ben, a konferenciakötetben megjelentetett írásos változata tartalmazza. Bohr világosan megfogalmazza felvetésének motivációját: ,,az atomok stabilitását a természeti jelenségek klasszikus leírása implicit módon előfeltételként adottnak veszi, ezért nem lepődhetünk meg, ha klasszikus fogalmak nem használhatók ezen túllépő jelenségek megalapozására. Miként rákényszerültünk a kauzalitás ideáljának feladására az anyag kémiai és fizikai tulajdonságainak atomi értelmezése során, további lemondásokra is rákényszerülhetünk az atomi alkotórészek (in)stabilitásának értelmezése érdekében.”
Bohr forradalmi elképzeléseinek versenytársa akadt Wolfgang Pauli 1930. december 4-én megfogalmazott javaslatában. Hipotetikus könnyű részecskéjével nemcsak a kirepülő elektron folytonos spektrumára kínált magyarázatot, hanem az atommag tulajdonságai értelmezésének egy másik ellentmondásos pontját is orvosolta. Az ellentmondás oka az, hogy amennyiben az elektronokból és protonokból összetett atommag darab feles spinű részecskét tartalmazna, a páros rendszámú atommagok sajátperdülete egész értéket vehetne csak fel. Amint Samuel Goudsmitnek a magok és az elektronhéj közötti hiperfinom kölcsönhatásról közölt egyik legelső cikke 1932-ben hangsúlyozta, a kadmium ( ) vagy az ólom ( ) összes izotópjának e várakozással szemben félegész a spinje. Goudsmit megjegyezte, hogy az atommag feltételezett harmadik alkotórésze, a Pauli-,,neutron”, amely a feltételezés szerint egy könnyű (az elektronnál nem nehezebb), elektromosan semleges, feles spinű részecske, ezt az ellentmondást is megoldja a béta-sugárzás folytonos spektrumának természetes értelmezése mellett. Pauli a római konferencia diszkusszióiból az elektron energiájának éles maximumát mutató kísérleteket nevezte a legfontosabb új információnak, bár e levágás létezésének a végleges megerősítése csak 1932 végén történt meg.
Mi lehetett az oka, hogy mindeme pozitív jelzések ellenére Pauli javaslatát néhány éven át csak érdekes spekulációnak tartották? Látnunk kell, hogy sem Pauli eredeti levele, sem a következő évek diszkussziói nem kérdőjelezték meg az elektronok atommagbeli jelenlétére vonatkozó elképzelést. Az atommagban az elektron mellett egy további hipotetikus alkotórész feltételezése még mesterkéltebbnek tűnhetett Bohr ökonomikus (igaz, drámai) javaslatával összemérve. Ez lehetett az oka, hogy a római konferencia összefoglaló előadását tartó Peter Debye nem tért ki Pauli javaslatának elemzésére, miközben igen részletesen foglalkozott Bohr ,,egyszerű” elméletével: ,,Ezek a spekulációk, bár merészek, a kísérleti tények értelmezésének egyébként leküzdhetetlennek tűnő nehézségeiből a legkönnyebb kiutat kínálják.”
Ezen a helyzeten nem változtatott Chadwick 1932-es felfedezése sem, aki az magreakcióval kimutatta a nehéz neutron létezését. A neutront először sokan, például James R. Oppenheimer is, az atommagon belül létező proton-elektron kötött állapotként értelmezték. Így egy még komplikáltabbnak tűnő, sok összetevős magszerkezeti (rém)kép kezdett alakot ölteni.
Az 1933-as Solvay konferencia résztvevői (Bohr balról harmadik az ülő sorban, az ő balján Irène Curie, aki mögött Frédéric Joliot és Werner Heisenberg áll. Bohr mögött jobbra áll Enrico Fermi. A jobb oldali álló sorban az ülő Ernest Rutherford mögött, Mefisztó-szerű hajviselete alapján könnyű megtalálni Wolfgang Paulit.)
Az egyre zavarosabb helyzet tisztázása Ferminek köszönhető. 1933 októberében tartották Brüsszelben a soron következő Solvay-konferenciát. Itt a neutrínó kísérleti kimutatásának esélyét elemezve a legtöbben, így Bohr is, olyan kísérleteket terveztek, amellyel az atommagban eleve meglévő elektront és/vagy neutrínót Chadwicknek a neutront kimutató magreakciójához hasonlóan ki lehetne lökni az atommagból.
Fermi viszont a konferenciát követő két hónapban kidolgozta alapjában máig érvényes elméletét, amely nem tételezi fel sem az elektron, sem a neutrínó jelenlétét az atommagban: ,,az elektronok a béta-bomlás előtt nem léteznek a magban, de (a neutrínóval egyetemben) a kisugárzás pillanatában születnek meg, csakúgy, ahogy az atom kvantumugrása során kisugárzott fénykvantumot sem lehet semmiképpen a kisugárzás előtt jelen levőnek tekinteni az atomban”. Ezt a gondolatot Frédéric Perrin is felvetette, de Fermi olyan elméleti keretet adott, amely túl a béta-bomlásban keletkező elektronok folytonos energiaeloszlásán a következő évek felfedezéseinek, például az alfa-részecskékkel és neutronokkal indukált mesterséges radioaktivitásban bekövetkező pozitron- és elektronkisugárzásnak a kvantitatív értelmezésére volt képes. Ilyen kísérleteket elsőként a Solvay-konferencián szintén jelen lévő Irène Curie és Frédéric Joliot végeztek.
Fermi elméletét, amely az első példát mutatta olyan elemi kölcsönhatások létére, amelyekben az atommag egyik elemi összetevője lényegesen eltérő tulajdonságú másikká alakul (a neutron protonba, vagy fordítva) a Nature nem tartotta publikálásra méltónak. Viszont Bohr 1936-os cikkét, amellyel Fermi elméletének nagyszámú kísérleti tény értelmezésében elért sikeres alkalmazása hatására visszavonta elképzelését a béta-sugárzás spektrumának az energiamegmaradás sérülésére épülő értelmezéséről, a már akkor is divatdiktáló tudományos magazin közölte. Bohr érdeme, hogy a lehető legnagyobb tudományos nyilvánosság előtt ismerte el elképzeléseinek hibás voltát.
Bohr cikke, amelyben elismerte az energiamegmaradás törvényének sérülésére vonatkozó javaslatának helytelenségét
Megfontolt szentségtörők: lemondás a neutrínó tükörképének létezéséről
21A neutrínó tehát sok fejfájást okozott a fizikusoknak már fogalmának megszületése előtt is. Az 1930-as évekbeli helyzet, amelynek megoldására vad víziók pattantak elő a fizikusok fantáziájából, megismétlődött az 1950-es évtized közepén. Bár a neutrínók tulajdonságainak közvetlen megfigyelésére szolgáló technika igen kezdetleges volt (az első közvetlen detektálásnak tekinthető eseményről 1956-ban számoltak be), a közvetett bizonyítékok alapján 1957-ben fény derült arra, hogy a neutrínók félkezű szörnylények.
Az 1950-es évek elejétől folytatott gyorsítós ütközési kísérletekben találtak két (hibahatáron belül) azonos tömegű instabil részecskét (rezonanciát), amelyek közül az akkor -nak nevezett kizárólag két pionba, a nevű pedig három pionba bomlik el. 1953-ban Dalitz és Fabri kimutatta, hogy a végállapoti pion-rendszerek tükrözési transzformáció során eltérően viselkednek. A -ból létrejövő rendszer tükrözéskor változatlan, a -ból keletkező, három piont tartalmazó állapot hullámfüggvénye előjelet vált. Röviden fogalmazva, a két állapot paritása ellenkező. Feltéve, hogy a természet tükrözési szimmetriája a bomlásokban érvényesül, ez a konklúzió átvihető a két elbomló részecskére: a és a ellenkező paritásúak. De akkor miért egyezik meg a tömegük, az elektromos töltésük és a sajátperdületük (spinjük)? Ez a kérdés az úgynevezett rejtély .
Amikor 1956 áprilisában C. N. Yang az év legfontosabb részecskefizikai konferenciáján összefoglalta a rejtéllyel kapcsolatos információkat, a közönség soraiban ülő Richard Feynman megkérdezte: ,,lehetséges-e, hogy a két esetben valójában ugyanarról a részecskéről van szó, csak éppen annak nincs határozott paritása? Mennyire tudható biztosan, hogy a fenti bomlásokat létrehozó kölcsönhatás tükrözésre változatlan erősségű?”
T. D. Lee és C. N. Yang néhány hónap múlva publikált cikkükben arra hívták fel a figyelmet, hogy a béta-bomlási és más gyenge kölcsönhatási reakciókban mindaddig nem végeztek olyan méréseket, amelyek alapján Feynman kérdésére választ lehetne adni. A tükrözési szimmetriát azért tekintették magától értetődően érvényesnek, mert az atomfizikai kvantumátmenetek úgynevezett kiválasztási szabályainak felállításában azt sokszorosan nagy pontossággal ellenőrizték. Ezek az átmenetek azonban elektromágneses jellegűek, tulajdonságaik bármiféle kiterjesztése a béta-bomlásra jogosulatlan. Lee és Yang (később Nobel-díjjal jutalmazott) cikkének lényege éppen azoknak a kísérleteknek a felsorolása és elemzése, amelyekkel a tükrözési invariancia fennállását vagy sérülését ellenőrizni lehet.
Az első ilyen kísérletre vonatkozó javaslatot a két fiatal kínai kutató egy tapasztaltabb, kínai származású kollégájukkal, C. S. Wuval szoros együttműködésben dolgozta ki. Co mintát választottak, amelynek magja mágneses momentummal rendelkezik. Mágneses térrel polarizálták, mégpedig igen alacsony hőmérsékleten, hogy a hőmozgás minél kisebb eltérést okozzon a közös iránytól. Azt vizsgálták, hogy a Ni-ba történő béta-bomlás során kirepülő elektronok repülési iránya és a Co-mag spinvektorának iránya közötti kapcsolat (a relatív szögeloszlás) a kobaltmagok polarizációjának tükrözésekor (a külső mágneses tér polaritásának megfordításakor) átmegy-e az eredeti eloszlás tükörképébe. A kísérlet célja kizárólag az volt, hogy elméleti modellek használata nélkül meggyőződjenek a tükrözési szimmetria fennállásáról vagy sérüléséről.
Wu asszony 22 már a nyáron elkezdett dolgozni a kísérlet megvalósításán, amelyben először végeztek részecskefizikai mérést extrém alacsony hőmérsékleten. Ehhez a New York-i Columbia Egyetemen dolgozó Wu a washingtoni Szabványügyi Hivatal munkatársainak szakértelmét vette igénybe. A mérés nehézségén túl a csoport két felének földrajzi távolsága is lassította a szükséges mennyiségű adat összegyűjtését. Eközben a Lee–Yang-javaslatokat szemináriumokon széles körben vitatták, és az Egyesült Államokban két további méréshez is hozzáfogtak, amelyek jóval egyszerűbb kísérleti körülmények között adtak információt a gyenge kölcsönhatási folyamatok tükrözési szimmetriájáról.
Akik felfedezték a jobb-bal tükrözési szimmetria sérülését (Telegdi Bálint a jobb alsó sarokban bölcsen mosolyog)
Garwin, Lederman és Weinrich szintén a Columbia Egyetemen dolgoztak, és a pionok leggyakoribb bomlását vizsgálták, amelyben a pion először egy müonba és egy neutrínóba bomlik, majd a müon tovább bomlik egy elektronba és két neutrínóba (akkor még nem tettek különbséget sem a müon és az elektron neutrínója között, sem a neutrínók és az antineutrínók között). Miután a kiinduló állapot eredő perdülete nulla, és a közbenső állapotbeli feles spinű müon és a neutrínója ellentétes irányban repül szét, ellentétes spinvetülettel kell rendelkezzenek. Ez két fajta módon valósulhat meg: a mozgása irányára mindkettő vagy parallel, vagy antiparallel irányítottságú lehet. Ezek egyaránt egymás tükörképei. Ha tükrözési szimmetria van, akkor a két állapot megvalósulási esélye azonos, és a müon spinjének a mozgása irányára vett vetülete átlagosan nulla. Ha nem így van, azaz a müon részlegesen polarizált, akkor a bomlási kölcsönhatás sérti a tükrözési szimmetriát. Ez összekapcsolódik a tükrözési szimmetriának a müon bomlásánál fellépő esetleges további sérülésével. Ehhez a kísérlethez nem volt szükség extrém alacsony hőmérsékletre, sem polarizáló mágnesekre.
Garwinnak és társainak elektronikus detektorai voltak, szemben Friedmannal és Telegdi Bálinttal, akik Chicagóban ugyanezt a kísérletet úgy végezték el, hogy a töltött végállapoti részecskék ionizációs nyomát követték emulzióban. Ez még egyszerűbb kísérlet volt, de az adatok sokkal lassabban gyűltek.
A tükrözési szimmetria sérüléséről az első megbízható következtetést Garwin és társai vonták le. Ám nem rohantak eredményükkel azonnal a sajtóhoz, hanem megvárták, míg a Wu-kísérlet is célba ér. Ennek hátterében nemcsak a kollegiális szolidaritás állt, hanem az óvatosság is, nehogy a legtöbb fizikus szemében addig érinthetetlennek gondolt jobb-bal szimmetria sérülését hibás kísérlet alapján jelentsék be. Friedmannal és Telegdivel is kommunikáltak, és felkérték őket, hogy a még nem teljesen véglegesített kísérleti eredményüket a másik két kísérlettel egyidőben publikálják. A Wu és társai és a Garwin és társai által jegyzett két cikk 1957. január 15-ei, a Friedman–Telegdi-cikk január 17-ei dátummal került beküldésre. A II. világháborút követően és a hidegháború közepette a fizika iránt megnyilvánuló fokozott érdeklődést jelzi, hogy a Columbia Egyetem január 15-én sajtótájékoztatót hívott össze, amelyről a The New York Times másnap a címlapon számolt be.
A tükörszimmetria szentségét sértő eretnek tanok győzelmének bemutatását annak a villámcsapásszerű hatásnak a leírásával zárom, amelyet ez a felfedezés a XX. század két vezető elméleti fizikusára gyakorolt. A ma élő legtekintélyesebb orosz elméleti részecskefizikus, Lev Okun’ kezdő kutatóként vett részt 1956 tavaszán azon a konferencián, amelyen a világháborút követően először látogattak amerikai fizikusok a Szovjetunióba. Élénken emlékezik 23 arra, ahogy Lev Landau szarkasztikus mosollyal reagált a legfiatalabb amerikai, Murray Gell-Mann előadásának végén tett megjegyzésére, miszerint a tükrözési szimmetria sérülése az egyik lehetséges megoldása a rejtélynek. 1956 novemberében, a Lee–Yang-cikk megjelenése után B. L. Ioffe csoportja, amelyben Okun’ is dolgozott, igyekezett rendszeresen elemezni a tükörszimmetria esetleges sérülésének következményeit. Landauval is próbáltak kommunikálni, de ő teljesen elutasító volt, akkori felfogása szerint a téridő szimmetriáinak egyike sem, így a tükörszimmetria sem sérülhet.
Landau azonban néhány nap alatt megváltoztatta véleményét. Éppen Okun’ ébredt rá, hogy az esetleg sérülő tükrözési szimmetria helyére egy másik szimmetria léphet: ha a szimmetria-művelet során a tükörképre cseréléssel egyidejűleg minden részecskét kicserélünk az antirészecskéjére. Ez a kombinált szimmetria akár úgy is megvalósulhat, hogy csak balkezes neutrínók és jobbkezes antineutrínók léteznek a természetben, amik aztán egymásba transzformálódnak a tükörképek és részecske-antirészecske párok egyidejű felcserélésekor. Ez azt jelenti, hogy nincsenek sem jobbkezes neutrínók, sem balkezes antineutrínók, a neutrínók félkezű szörnyek. Az 1957 januárjában közzétett eredmények ezzel a hipotézissel összhangban voltak értelmezhetők, Landau pedig egy hónap múlva publikálta a Fermi-elméletnek a paritásszimmetria maximális sérülése esetére kidolgozott módosítását, amiről a The New York Times Robert Oppenheimer kommentálásával szintén beszámolt. 24
Még izgalmasabb a tértükrözési szimmetria sérülésének Paulira gyakorolt hatása. A neutrínó ideájával aratott sikerének hatására egyértelműen a téridő-szimmetriák sérthetetlensége mellett állt ki, amint egy Heisenbergnek 1933-ban írott levelében azt megfogalmazta: ,,Talán az energia és az impulzus megmaradásánál is fontosabb számomra a diszkrét szimmetriákhoz társuló mennyiségek megmaradása.”
Egykori asszisztensének, Charles Enz genfi professzornak a neutrínó születésének 50. évfordulójára írott cikkéből 25 tudható, hogy Paulihoz már a publikálása előtt eljutott Lee és Yang cikke. Mi több, 1957. január 21-én éppen annak a napnak a délutánján kapta meg Telegdi Bálinttól, egykori diákjától a paritássértést bizonyító három kísérleti cikk előnyomatát (más szóval preprintjét), amelynek estéjén a Zürichi Fizikai Társaságban előadást tartott a neutrínó történetéről. A sokkot megduplázta a Villars-tól, egy Genfben dolgozó munkatársától aznap reggel érkezett küldemény, benne a The New York Times cikkével.
Enz emlékezete szerint Pauli aznap este élete legjobb előadását tartotta. A Bohrral folytatott vitájából már a bevezetőben kiemelte fő ellenlábasa azon érvét, hogy a béta-bomlás jelenségkörében bármiféle meglepetésre készen kell állni. Előadása végén pedig beszámolt azokról az új fejleményekről, amit Bohr professzor két évtizeddel korábban megérezhetett.
Pauli gondolatait a Victor F. Weisskopfhoz 1957. január 27-én írott leveléből ismerhetjük meg a legmélyebben: ,,Lehetséges-e egyáltalán, hogy a téridő valamelyik szimmetriája és a társuló megmaradási törvény érvényessége függjön egy kölcsönhatás erősségétől? Ez a kérdésfeltevés vezetett engem elsietett és rossz konklúzióra.” Kutatói nyitottságát bizonyítja, hogy az 1930-as évek vitájában alulmaradt Bohrnak újra adott valamelyes esélyt: ,,Nem volt igaza az energiamegmaradással, de ki tudja, hogy ezzel az új fejleménnyel kezdődően lesz-e megállás? Talán a béta-kölcsönhatás még túl erős, hogy sértse az energia megmaradását, de létezhet-e egy még gyengébb kölcsönhatás, amelynek során már az energia sem marad meg?”
Eretnekség-e a Lorentz-szimmetria sérülésének vizsgálata?
A tükrözési szimmetria ,,bukása” óta a téridő szimmetriáinak kritikus ellenőrzése immár nem szentségtörő próbálkozás, hanem gyakori és visszatérő program a mikrofizikában. Így derült fény 1964-ben arra, hogy a Lee és Yang, valamint a Ioffe, Okun’ és Rudik által javasolt kombinált, úgynevezett CP-szimmetria is sérül. Paulinak a Weisskopfhoz írt levelében megfogalmazott megérzése tökéletesen bevált: a semleges kaonok anomális viselkedése a béta-bomlásnál is gyengébb intenzitású kölcsönhatásban nyilvánul meg. Elég rövid idő elteltével, 1973-ban két fiatal japán kutató, Kobayashi és Maskawa sikeres elméleti javaslatot tett a kombinált töltés- és tértükrözési szimmetria sérülésének beépítésére az elemi részek egységes elektrogyenge elméletébe. 26
Amint Andrej Szaharov rámutatott, ez a szimmetriasértés kikerülhetetlen az Univerzum szembeötlő anyag-antianyag aszimmetriája létrejöttének értelmezésében. Különösen érdekesek e szempontból azok a párhuzamosan futó, a részecskék és antirészecskék tömegének, töltésének, mágneses momentumának stb. egyre pontosabb összehasonlítását lehetővé tévő kísérletek, amelyek egyikében, a japán vezetésű ASACUSA-kísérletben 27 meghatározó résztvevők az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és az MTA Atomki munkatársai, Barna Dániel, Horváth Dezső és Juhász Bertalan.
Nem tekinthető eretnekségnek tehát, hogy az OPERA rövidítésű együttműködés résztvevői is törték a fejüket az alapvető szimmetriák érvényességi határait tapogató kísérleten. A kísérletben a CERN-ből indítják a felgyorsított pionokat az olaszországi Gran Sasso-hegységben, a CERN-től 735 km-re lévő detektor felé. A pionok még az út legelején, a CERN-ben elbomlanak, de a kibocsátott neutrínók repülési iránya igen pontosan követi a pionok által kijelölt utat. Ehhez hasonló úgynevezett nagytávolságú neutrínóterjedési kísérleteket már korábban is végeztek Japánban és az Egyesült Államokban. A chicagói Fermi Nemzeti Laboratóriumból induló nyalábot egy minnesotai felhagyott bánya mélyén megépített detektorral észlelő MINOS-kísérlet mérte meg először ily módon a neutrínók terjedési sebességét. Eredményük szerint a neutrínók terjedési sebessége a mérési pontosságon belül egyezik a fény vákuumbeli sebességével.
Még nagyobb távolságon tesztelték a neutrínók terjedési sebességét az 1987-ben a Magellán-ködben felrobbant szupernóva esetén. Itt sem találtak eltérést. Nyilván ezek az elemzések is motiválták az OPERA-kísérlet tagjait, amikor a mérési pontosság jelentős megjavításának ambíciójával hozzáfogtak saját sebességmérésükhöz.
A kísérlet tétje könnyen érzékeltethető. Amennyiben a neutrínók terjedési sebessége valóban meghaladná a fénysebességet, akkor sérül a természeti jelenségek egyenrangú leírhatósága egymáshoz képest állandó sebességgel mozgó vonatkoztatási rendszerekben, vagy röviden: sérül a Lorentz-szimmetria, ami a relativitás speciális elméletének a szimmetriája. Az utca embere pedig majd boldog kárörömmel értesül a szalagcímekből, hogy ,,Einstein tévedett”.
Az OPERA-kísérlet technikai részletei szakszerűen és olvasmányosan magyarul is megismerhetők Horváth Dezső, Nagy Sándor, Nándori István és Trócsányi Zoltán cikkéből. 28 A továbbiakban a 2011. szeptember 23-tól 2012. március 15-ig tartó mintegy féléves történetben megnyilvánult kutatói magatartást szembesítjük a két korábbi krízis eretnek tanokat hirdető szereplőinek magatartásával.
Az első határnapot az OPERA nyilvános szemináriumának időpontja jelöli ki, amelyet a legnagyobb sajtónyilvánosság előtt tartottak Genfben.
A záró határnapot a Gran Sassóban található másik neutrínó-detektorral, az ICARUS-szal elvégzett mérés eredményét bejelentő cikk közzététele adja. Ezt a mérést ugyanazzal a CERN-nyalábbal végezték el, amit az OPERA is használt, igaz a közbülső időben lezajlott viták alapján a nyalábot a korábbinál sokkal rövidebb csomagokra ,,vágva” alkalmasabbá tették a sebességmérés még kisebb hibahatárú megvalósítására. Szemben az OPERA bejelentésével, amely szerint a neutrínók 60 ns-mal gyorsabban tették meg a Genf–Gran Sasso utat, mint a fény tenné, az ICARUS legutóbbi eredménye szerint a két versenyző közti időkülönbség nem nagyobb 2 ns-nál, és előjele egyaránt lehet pozitív vagy negatív.
A vezető fizikusok első reakcióját az OPERA-mérés bejelentését közvetlenül követő napokban a következő három észrevétel határozta meg:
-
1.
Ha a szupernóva-neutrínókra is igaz lett volna az OPERA által bejelentett sebességkülönbség, akkor a Magellán-ködből a neutrínóknak a fényjelet több évvel megelőzve kellett volna megérkezniük. Ezért a kísérlet értelmezésére csak olyan elmélet alkalmas, amely szerint a terjedési sebesség eltérése a fény sebességétől élesen energiafüggő.
-
2.
A neutrínók kölcsönhatására vonatkozó elképzeléseket is elkerülhetetlenül módosítani kell, mivel a neutrínók a szokásos béta-sugárzási folyamatokkal már a fényét meghaladó sebességű útjuk legelején elvesztenék energiájuk jelentős részét. Ezt az energiacsökkenést az OPERA-kísérlet egyáltalán nem észlelte.
-
3.
Az elemi részeket összekötő kölcsönhatások miatt a talált tulajdonság következményeit nagyon mesterkélten lehet csak a kísérletileg nehezen ,,kézben tartható” neutrínókra korlátozni. A hatásnak az elektron tulajdonságaiban is jelentkeznie kellene.
Néhány azonnali (2011. szeptemberi) nyilatkozatot idézek, amelyeket a Wikipedia ,,Faster-than-light neutrino anomaly” címszavának jegyzetei/hivatkozásai között leltem.
Martin Rees brit csillagász (akkor a Royal Society elnöke): ,,Különleges állítások különleges bizonyítékokat igényelnek. Visszatekintve nagyon zavarónak tűnik majd, hogy ez a bejelentés mily mértékű publicitást kapott, ami persze elkerülhetetlen, ha egy kéziratot (preprintet) a webre kitesznek.”
Lawrence Krauss, amerikai asztrofizikus (a Star Trek fizikája című könyv szerzőjeként tett szert általános ismertségre): ,,Nem ésszerűtlen, ha kísérleti fizikusok egy magyarázatra váró eredményükről közleményt nyújtanak be. De a CERN és az egész tudomány szempontjából nagyon szerencsétlen sajtókonferenciát rendezni a peer-review eljárás előtt egy eredményről, amelynek helyessége >> szélsőségesen << valószínűtlen. Amint kiderül, hogy az eredmény helytelen, mindenki veszít hitelességéből.”
Carlo Rubbia, Nobel-díjas kísérleti részecskefizikus (az ICARUS kísérleti csoport vezetője): ,,Az új eredmény egy >>nagyon előzetes próba jellegű megfontolás<<, amelyet hiba volt bemutatni a nagyközönségnek.”
A nyilatkozók nem azt kifogásolták, hogy vizsgálódásuk eredményeit az érintettek a tudományos közvéleménnyel megosztották. Kritikájukat a szenzációhajhász tálalás, az áltudományos hókuszpókusz stílusbeli követése váltotta ki. Indokolhatatlan, hogy az első bejelentés miért nem egy megfelelő szakfórumon, azaz speciális konferencián történt. Rubbia nyilatkozata pedig komolyan megkérdőjelezi a kísérlet résztvevőinek hajlandóságát a kollegiális diszkusszióra. Ha az OPERA-együttműködés irányítóit is a paritássértést bizonyító hármas kísérlet példája vezette volna, akkor nem a sajtónyilvánosságot választják, hanem egy kontrollkísérletet kezdeményeznek, például a Rubbia által vezetett kutatócsoportnál, az ICARUS-nál. Érdemes felfigyelni arra is, hogy Wu kísérleteinek megkezdése és a három cikk egyidejű közzétételét követő sajtóértekezlet között ugyanúgy nagyjából fél év telt el, mint az OPERA bejelentése és az ICARUS-cáfolat közzététele között. Csakhogy az előbbi során a fizikusok vitái nem a laikus nyilvánosság előtt, hanem szakmai fórumokon zajlottak.
Vannak szakemberek, így a Fizikai Szemle fentebb hivatkozott cikkének szerzői is, akik úgy látják, hogy a kísérleti hiba ellenére is volt haszna az esetnek, mivel nagyban serkentette a Lorentz-szimmetria kritikus vizsgálatát. Azonban a fent felsorolt korlátozó tények miatt a bejelentett effektust értelmezni igyekvő próbálkozások mindegyike igen erőltetett volt. Szakmai értéküket tekintve a közismerten gunyoros hajlamú S. L. Glashow véleménye lehet a mérvadó, aki a The New York Times híradása szerint az Amerikai Természettudományi Múzeumban rendezett 2012. márciusi vitán a következőket mondta: ,,az általa hallott legjobb elméleti magyarázat szerint a neutrínók Svájcban betartották a közlekedési szabályokat, de gázt adtak, amint átlépték az olasz határt”.
Végül az OPERA-kollaboráció 2012 júliusában egy olaszországi speciális konferencián mutatta be teljes részletességgel saját mérésének kritikai elemzését. A szakértők egy szűk köre előtt vonták vissza korábbi következtetéseiket, alaposan eltérve Niels Bohr példájától, aki a legnagyobb nyilvánosság előtt cáfolta meg saját korábbi elképzelését.
Összefoglalásul Matt Strassler (Rutgers Egyetem) megfogalmazásában felsorolom azokat a kifogásolható eljárási elemeket, amelyek miatt az OPERA vizsgálatainak bemutatása, majd a fejlemények kezelése az eretnekség tudományos válfajából átcsúszott az áltudományosba:
-
•
Ne szervezz teljes gázzal sajtókonferenciát vagy más nagy nyilvános bemutatót.
-
•
Ne fogalmazz úgy, hogy “találtunk egy időmérési anomáliát (mellesleg, ha nem tévedünk, akkor Einstein relativitási elméletét sérti)”, mert a fizikában járatlan hallgatóság csak az ,,Einstein relativitási elmélete sérül” kifejezést fogja meghallani.
-
•
Ne szervezz nyilvános bemutatót épp a CERN-be, amivel másokat is belerángatsz saját zűrös ügyletedbe, inkább egy kisebb műhely keretei között mutasd be, amit találtál.
-
•
Ha pedig egyszer már mégis nagy zajt csaptál eredményeid elsietett bemutatása során, akkor a felfedezett hibáról és eredményeid új értelmezéséről nem egy Gran Sassóban szervezett minikonferencián számolsz be. Ez a hozzáállás igencsak hasonlít az olyan újságokéra, amelyek a hetedik oldal alján korrigálják hibás címlapsztorijukat.