A Gólem
23
A Gólem Hová lettek a napneutrínók? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
description
A Gólem. Hová lettek a napneutrínók?. Miről lesz szó? – kérdések és fogalmak. Kérdések: Mi történik, ha egy igen összetett elmélet jóslata nem válik be? Fogalmak: Anomália Aluldetermináltság A kísérletek elméletfüggése. Miről lesz szó? – egy esettanulmány. - PowerPoint PPT Presentation
Transcript of A Gólem
A Gólem
Hová lettek a napneutrínók?
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
Miről lesz szó? – kérdések és fogalmak Kérdések:
Mi történik, ha egy igen összetett elmélet jóslata nem válik be?
Fogalmak: Anomália Aluldetermináltság A kísérletek elméletfüggése
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
Miről lesz szó? – egy esettanulmány Egy kísérlet, amely a várakozások ellenére nem
talált elegendő Napból jövő neutrínót Mi történik ilyenkor?
Keressük a hibát!
Hol a hiba? a számolásban? a készülékben? a világűrben? a Napban? ...pontosabban: a Napról szóló elképzeléseinkben? az elemi kölcsönhatások elméletében?
Hogyan keressük, hogyan találjuk meg?
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A Nap sugarainak forrása Igen sok mindent tudunk a
Napról: magfúzió útján termel energiát ennek során a tömegének 75%-
át kitevő hidrogént fogyasztja, és héliumot termel
ez a folyamat a Nap magjában megy végbe, amelynek sugara nagyjából a csillag rádiuszának negyede
a magban több mint 15 millió fok a hőmérséklet
Honnan tudjuk mindezt?
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A Nap sugarainak forrása Van néhány globális adatunk:
tömeg kiterjedés összes leadott energia
Majdnem minden közvetlen mérési technikánk a Nap felszínéről ad csak információt: hőmérséklet anyagi összetétel
A Nap belsejéről elsősorban elméleti modelljeink vannak amelyeknek illeszkedniük kell az általános fizikai
ismereteinkhet és a fenti peremfeltételekhez Honnan tudjuk, hogy jók ezek a modellek?
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A Nap sugarainak forrása A nukleáris reakciók felismerése óta egyre
komplexebb csillagfejlődés-elméleteink vannak...
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A Nap sugarainak forrása ...amelyek jól illeszkednek
a csillagok megfigyelhető eloszlásaihoz ez az úgynevezett Hertzsprung–
Russell diagram a Nap „útja” a diagramon:
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A Nap sugarainak forrása Mindezeken kívül még egy fontos jóslata van a
csillagmodelleknek: az elmélet szerint a fúzió folyamatában óriási mennyiségű
neutrínó keletkezik a Nap belsejében, amelyek szinte háborítatlanul ki is jutnak onnan, minden
irányban nagyjából egyenletesen, alig kölcsönhatva az anyaggal (bolygónkat is beleértve)
Becslések szerint a Föld minden Nap felé néző négyzetcentiméterét 65 milliárd neutrínó szeli át másodpercenként!
Bár a neutrínó nagyon-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 1930-ban vetette fel Wolfgang Pauli a létezését
a radioaktív bomlások során hiányzott némi energia n0 → p+ + e− + ??? νe
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 megtalálta Reines 40 évvel(!) később, 1995-ben kapott Nobel-díjat
1962-ben kimutatták, hogy több fajtája létezik elektron-, müon- és tau-neutrínó
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
_
A napneutrínók nyomában 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 napneutrínók nyomában Sajnos a detektor nem volt jó arra, amire tervezte:
atomreaktorok jellemzőinek mérésére. 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 észlelhette.
így Cowan és Reines lett az a szerencsés, akik két évvel később, ugyanannál(!) a reaktornál elvégzett hasonló kísérletükért (ami más elemi reakción alapult, és történetesen antineutrínókra volt érzékeny) elnyerték a Nobel-díjat a részecske első kísérleti kimutatásáért.
Davis kísérlete pedig utólag bizonyíték lett arra, hogy a neutrínónak létezik egy antirészecskepárja is.
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
A napneutrínók nyomában Mihez kezdjen akkor a készülékével?
William Fowler, az egyik legnevesebb asztrofizikus javasolta Davisnek, hogy eljárását a Napból érkező neutrínók mérésére lehetne használni, és azzal tesztelni lehetne a csillagmodelleket, ott ugyanis valóban „rendes” neutrínók keletkeznek
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
Fowler egyik tanítványa, John Bahcall, Davis mellé szegődött elméleti fizikusnak.
1967-re, évtizedes munkával összeállt a kor léptéke szerint óriási kísérlet.
A kísérlet tervezése Számos megoldandó probléma akadt:
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 jósolt eredmény becsléséhez nagyon sok fizikai
elméletet, szakterületet kellett mozgósítani.
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 egyetlen mérésre használható!
Cikkeket írtak a legjobb lapokba, Fowler minden tekintélyét bevetette, meggyőző levelet írt volt kollégájának, az állami pénzeket osztó Atomenergetikai Bizottság elnökének.
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
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 kísérlet tervezése Végül 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: uszodányi, 380 m3 tisztítófolyadék (tetraklór-etilén),
amelyet kölcsönkértek a gyártó cégtől, 1500 méterrel a föld alatt, Dél-Dakotában, a Homestake Mining Co. vállalat egy használaton kívüli aranybányájában
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 kevesebbet talált a jósolt
eredménynél Fél év gondos ellenőrzés, független szakértői vizsgálat és
újrakalibráció után Davis publikálta, hogy a várt események kb. harmada, kevesebb mint napi két átalakuló atom volt megfigyelhető
Davis kísérletező tekintélye csorbítatlan maradt, Bahcallt azonban nagyon megviselte az eltérés – egy évtized gondosan felépített elméleti épülete forgott veszélyben!
Eleinte megpróbálta úgy alakítani a számításokat, hogy közelebb kerüljön a mérésekhez, de ezzel számos kolléga támadásának került a kereszttüzébe
Végül Bahcall 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 Ma már a fizikusok egyértelműen megoldottnak látják a
problémát, ezért mi itt bemutatjuk ezt a végkifejletet Ez azonban nem csökkenti a szerzők azon meglátását,
hogy ez a Nap mélyébe néző kísérlet, és a negatív eredményt követő viták a tudomány mélyébe nyújtanak bepillantást!
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
Megoldások a problémára A jóslat nem teljesülésének elismerése után a
figyelem a kísérlet részletei felé fordult. Davis eljárását és kalibrációs technikáját egyre
kifinomultabb kritikák érték aki viszont ezekre nagyon 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 újabb, független és sokszor más elveken nyugvó kísérletek születnek, kizárva további potenciális hibaforrásokat és elméleti lehetőségeket
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
Megoldások a problémára A kísérletek stabilitását látva pedig 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: lehet, hogy több benne a nehézfém? Vagy több benne az áramlás? Esetleg korábban ütközött egy nagyobb égitesttel, ami átalakította az összetételét?
És mi van, ha a neutrínók útközben „elfogynak”, átalakulnak valami mássá?
Sőt: lehet, hogy nem is hidrogénfúzió folyik a Napban! 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.
Az előbbi eshetőséget 1998 körül már elég biztosan ki lehetett zárni. a legújabb „naprengés”-vizsgálatok fényében a Nap felszínén megfigyelhető lökéshullámok nagy
pontossággal egyeztek a modell eredményeivel.
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
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, ami a detektorok számára már nem észlelhető.
Ezt a jelenséget 2001 és 2003 között sikerült a Nap neutrínóitól függetlenül kimutatni, 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, hogy megértsük a következményeit, 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.
A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék
