A Gólem

1. A Gólem Hová lettek a napneutrínók? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. A Nap sugarainak forrása • A nukleáris reakciók felismerése óta egyre komplexebb csillagfejlődés-elméleteink vannak... A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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 • Fowler egyik tanítványa, John Bahcall, Davis mellé szegődött elméleti fizikusnak. • 1967-re, évtizedes munkával összeállt a kor léptéke szerint óriási kísérlet. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

13. 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

14. 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 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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