การหาค่าชีวิตของนิวตรอนจากข้อมูลภารกิจยานเมสเซนเจอร์

จากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในนิวเคลียสที่ให้รังสีบีตา (β decay) ซึ่งนักฟิสิกส์ได้อธิบายสาเหตุนี้ด้วยปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน (weak interaction) จากแบบจำลองมาตรฐาน (standard model) ของฟิสิกส์อนุภาค ปฏิสัมพันธ์แบบอ่อนนั้นคือ การสลายตัวของนิวตรอนเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดรังสีบีตา เมื่อปล่อยให้นิวตรอนอยู่อย่างโดดเดี่ยวในที่สุดก็มีการสลายตัวเป็น โปรตรอน อิเล็กตรอน (บีตา) และ แอนตรินิวตริโน ส่วนในทางด้านจักรวาลวิทยา หัวข้อบิกแบงนิวคลีโอซินทีสิส (Big Bang nucleosynthesis) เป็นการอธิบายเหตุการณ์หลังจากเกิดบิกแบง ในช่วงเวลาเกิดธาตุไฮโดรเจนที่ประกอบด้วยโปรตอนที่นิวเคลียส หลังจากนั้นจึงเกิดดิวเทอเรียมและธาตุฮีเลียมที่ประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียสซึ่งเริ่มปรากฎนิวตรอนประกอบอยู่ในธาตุต่างๆ จากเหตุการณ์นี้จึงทำให้เกิดคำถามว่า นิวตรอนอิสระจะสามารถคงสภาพได้นานเท่าใดก่อนสลายตัวเป็นโปรตอน นักฟิสิกส์เรียกระยะเวลาในการคงสภาพนิวตรอนอิสระนี้ว่า ค่าชีวิตของนิวตรอน (neutron lifetime) เพื่อช่วยในการศึกษาฟิสิกส์ในช่วงต้นของการกำเนิดจักรวาล

            รูปแบบการทดลองหาค่าชีวิตของนิวตรอนมีอยู่ 2 วิธี ได้แก่ วิธีที่ 1 กระบวนการแบบขวด (bottle method) เป็นการนับจำนวนนิวตรอนที่ยังคงสภาพอยู่ได้อย่างอิสระแต่ละเวลาที่อยู่ในขวด (ที่ทำจากวัสดุแบบพิเศษ) ที่ใช้การกักเก็บด้วยอุณหภูมิเย็นยิ่งยวด (trap ultracold) มีค่าประมาณ 0.001 K (millikelvin) จากการทดลองด้วยวิธีนี้ได้ค่าเฉลี่ยค่าชีวิตของนิวตรอน 14 นาที 39 วินาที มีความไม่แน่นอน (uncertainty) ± 0.5 วินาที ส่วนในวิธีที่ 2 กระบวนการแบบลำแสง (beam method) เป็นการนับจำนวนโปรตอนที่ได้จากการยิงลำแสงนิวตรอนผ่านสนามแม่เหล็กทำหน้าที่เก็บกักและตรวจจับโปรตอนที่เกิดจากการสลายตัวของนิวตรอน จากการทดลองด้วยวิธีนี้ได้ค่าเฉลี่ยค่าชีวิตของนิวตรอน 14 นาที 48 วินาที มีความไม่แน่นอน ± 2 วินาที


          จากการวัดค่าทั้ง 2 วิธี มีค่าชีวิตของนิวตรอนต่างกัน ประมาณ 8 - 9 วินาที ซึ่งมีค่าแตกต่างกันเพียงไม่กี่วินาที แต่เมื่อพิจารณาในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ค่าความแตกต่างกันเพียงไม่กี่วินาทีนี้ กลับมีผลอย่างมาก ถึงแม้ในเวลาต่อมาการทดลองทั้ง 2 วิธีต่างพัฒนาความแม่นยำในการวัดค่าเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง แต่การทดลองทั้ง 2 วิธีก็ยังคงมีค่าความแตกต่าง ประมาณ 8 - 9 วินาทีเท่าเดิม ซึ่งในปัจจุบันนี้ก็ยังคงหาคำอธิบายไม่ได้ นักฟิสิกส์จึงเรียกปัญหานี้ว่า ปริศนาค่าชีวิตของนิวตรอน (neutron lifetime puzzle)


          ในเดือนมิถุนายน ปี 2020 กลุ่มนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกินส์ (Johns Hopkin University) และ มหาวิทยาลัยเดอรัม (Durham University) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยใน Physical Review Research ด้วยการนำเสนอวิธีการหาค่าชีวิตของนิวตรอนโดยใช้ข้อมูลจากสเปกโทรมิเตอร์นิวตรอน (เครื่องวิเคราะห์แถบแสงสเปกตรัมเพื่อตรวจจับนิวตรอน) ที่อยู่บนยานเมสเซนเจอร์ โดยเป็นข้อมูลในช่วงเวลาระหว่าง ปี 2007 – 2008 ซึ่งเป็นช่วงที่ยานเมสเซนเจอร์กำลังสำรวจผ่านบริเวณดาวศุกร์และดาวพุธ การที่ยานนี้ติดเครื่องสเปกโทรมิเตอร์นิวตรอนไว้ เพื่อตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีของดาวเคราะห์โดยเฉพาะน้ำ           กลุ่มนักฟิสิกส์ได้ใช้วิธีการหาค่าชีวิตของนิวตรอนโดยใช้ข้อมูลการนับจำนวนนิวตรอนในแต่ละความสูงที่เกิดจากรังสีคอสมิก (รังสีพลังงานสูง) เข้ามาปะทะกับดาวเคราะห์ทำให้นิวตรอนอิสระลอยพุ่งสูงขึ้นจากพื้นดาวเคราะห์ เมื่อเวลาผ่านไปนิวตรอนส่วนใหญ่ได้สลายตัวไปตามความสูงจากดาวเคราะห์ ดังรูปที่ 2 เมื่อได้รูปแบบในการพิจารณานักฟิสิกส์กลุ่มนี้ จึงได้นำข้อมูลการเปลี่ยนแปลงจำนวนนิวตรอนในแต่ละความสูงจากยานเมสเซนเจอร์ มาคำนวณทำให้สามารถหาค่าชีวิตของนิวตรอนโดยเฉลี่ยจากดาวพุธและดาวศุกร์ ได้ค่าเป็น 13 นาที ที่มาพร้อมกับความไม่แน่นอน ± 130 วินาที โดยค่าความไม่แน่นนอนนี้มีค่ามากเนื่องจากการเก็บข้อมูลของยานเมสเซนเจอร์เคลื่อนที่ไปด้วยระหว่างการวัดจำนวนนิวตรอนและสารประกอบทางเคมีในชั้นบรรยากาศที่ดูดซับนิวตรอนไปบางส่วน ยานเมสเซนเจอร์นั้นไม่ได้ถูกออกแบบสำหรับมาทำการทดลองในรูปแบบนี้ จึงทำให้ข้อมูลที่ใช้ในการคำนวณหาค่าชีวิตของนิวตรอน มีค่าความไม่แน่นอนในการวัดมากกว่ากระบวนการแบบขวดและกระบวนการแบบลำแสง โดยกลุ่มนักฟิสิกส์ที่นำเสนอวิธีการใหม่นี้ได้คาดหวังว่า เมื่อมีการพัฒนาเครื่องมือการวัดให้แม่นยำขึ้นบนยานสำรวจอวกาศก็สามารถนำไปใช้ในดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ได้เช่นกันและยังสามารถนำมาเปรียบเทียบได้กับการทดลองหาค่าชีวิตของนิวตรอนรูปแบบอื่นๆ อาจจะเป็นการช่วยคลี่คลายความลับในเรื่องปริศนาค่าชีวิตของนิวตรอนก็เป็นได้ 

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] Jack T. Wilson, David J. Lawrence, Patrick N. Peplowski, Vincent R. Eke, and Jacob A. Kegerreis, “Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA's MESSENGER mission”, Phys. Rev. Research 2, 023316 
• [2] Rev. Sci. Instrum. 88, 053508 (2017); https://doi.org/10.1063/1.4983578
• [3] https://phys.org/news/2020-06-scientists-space-based-neutron-lifetime.html
• [4] https://www.aps.org/publications/apsnews/201907/neutron.cfm