A neutrínók létezését már 1930-ban megjósolta a kvantumfizika egyik úttörője, Wolfgang Pauli, de a részecskék jelenlétére sokáig csak közvetett bizonyítékok alapján következtettek a kutatók, a mérésük jóformán lehetetlennek tűnt. Ennek oka, hogy a tünékeny természetük miatt szellemrészecskéknek is nevezett neutrínók töltéssel nem rendelkeznek, a tömegük pedig egészen elhanyagolható, így útjuk során, amit elsődleges születési helyüktől, a Naptól tesznek meg a Földig és tovább, nagyon ritkán lépnek interakcióba a környezetükkel.

Ezek a semleges részecskék azonban más forrásból is származhatnak, például atomrobbantások alkalmával, vagy atomerőművekben is nagy mennyiségben keletkeznek: ezt kihasználva, hosszú évtizedek előkészítése után, végül 1956-ban sikerült konkrét méréssel is igazolni a neutrínókról szóló elméleteket. A kísérletet végző Frederick Reines és Clyde Cowan egy, a Savannah River Erőmű P-reaktorának magjától tizenegy méterre elhelyezett fotoelektron-sokszorozóval detektálta a szubatomi részecskék jelenlétét, illetve az arra utaló jeleket, így ők lettek az elsők a kutatók között, akik beszámolhattak a szabad neutrínók létezésének megfigyeléséről.

A neutrínók jelenlétére alapvetően a béta-bomlás során észlelt anomáliákból lehet következtetni, mivel a neutronok bomlása közben felszabaduló elektronok sebessége alapján következtetve a folyamat látszólag nem felel meg az energiamegmaradás törvényeinek, egy láthatatlan, de jelen lévő plusz részecske viszont megmagyarázza az ellentmondásokat. Az elmúlt évtizedekben több olyan nagyszabású kísérlet is indult, amelyek során a neutrínók nyomára próbáltak rábukkanni, és több helyen kifejezetten erre a célra felépített létesítményekben igyekeznek "befogni" a szellemrészecskéket a béta-bomlások megfigyelésével.

Az egyik legígéretesebb ezek közül a KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) projekt, aminek keretében a németországi Karlsruhe Műszaki Egyetem északi kampuszán felállított hatalmas spektrométer segítségével vadásznak a kutatók a szubatomi elemekre. A vizsgálatok során a trícium bomlását, héliummá való átalakulását figyelik meg és az eközben keletkező elektronok és antineutrínók (amelynek tömege egyezik a neutrínóéval) jellemzőit tanulmányozzák. Ehhez az elektronokat egy 23 méter hosszú vákuumkamrába vezetik, amelyben az energiájukat mérik, a trícium bomlása során keletkező energia és az elektronok energiájának minimális különbségéből pedig a neutrínók tömegére következtetnek.

A KATRIN kísérlet első, teljes értékű futtatása alatt, amelyre még 2019-ben került sor, sikerült ezzel a módszerrel egy felső határértéket megállapítani a szellemrészecskék tömegét illetően: a most közzétett eredmények arra utaltak, hogy a neutrínó tömege nem éri el az 1 elektronvoltot, maximum 0,8 eV lehet. A Nature leírása szerint ez volt az első alkalom, hogy a neutrínók tömegének határát egyértelmű mérésekkel igazolták, bár elméletben már korábban is megjósolták az 1 eV alatti értéket. Ami azonban még mindig rejtve maradt a kutatók előtt, az a részecskék teljes tömege, illetve a lehetséges tömeg alsó határa. Az elképzelések szerint a minimum tömeg akár egészen alacsony, 0,2/c2 elektronvolt alatti is lehet, ami rossz hírt jelentene a KATRIN tudósai számára.

Ebben az esetben ugyanis a vizsgálatok nem lennének elegendőek ahhoz, hogy a neutrínók tömegét pontosan meghatározzák, mivel a berendezések, legyenek bármilyen érzékenyek is, csak 0,2 eV-ig tudnak méréseket végezni. Így nem derülhetne fény arra sem, hogy a szellemrészecskék egyáltalán rendelkeznek-e bármilyen elenyésző tömeggel, vagy, ahogy a régebbi elméletek alapján feltételezték, tömeg nélküliek, bár ezt a lehetőséget az elmúlt időkben már kizárták a kutatók. Többek között a japán Szuper-Kamiokandéban zajló kísérletek is rávilágítottak már 1998-ban, hogy a neutrínóknak van tömege, még ha ez olyannyira kevés is, hogy az elektron tömegének csak körülbelül milliomod részét teszi ki.

A KATRIN 2024-ig tartó vizsgálatai, valamint az épülő Hyper-Kamiokande nyújthat közelebbi betekintést a neutrínók titkaiba, és adhat választ azokra a kérdésekre, amelyek jelenleg még megoldásra várnak. A részecskék tömegének pontosítása mellett az is a jövőben derülhet csak ki, hogy hogyan is szerzik a tömegüket a neutrínók, amelyek, a Standard Modell más elemeitől eltérő módon, a Higgs térrel nagy valószínűséggel nem lépnek kapcsolatba, így más magyarázat szükséges a tömegük eredetére. Mivel a neutrínók alapvető szerepet játszanak az univerzum nagyobb struktúráinak kialakulásában - írják a KATRIN kutatói a tanulmányukban - ezért a konkrét megfigyelésük fontos információkkal szolgálhatna a kozmológiai modellekkel kapcsolatban is.

(Fotó: Karlsruher Institut für Technologie, Wikimedia Commons, Getty Images/jroballo)