การสั่นของนิวทริโน (Neutrino oscillation)

          นิวทริโน (neutrino) มีความเป็นมาจากในปี 1930 เกี่ยวกับปัญหาความสมดุลของพลังงานก่อนและหลังปฏิกิริยาในการสลายให้บีตา (Beta decay) ที่ไม่สมดุล นักฟิสิกส์ โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) คาดว่า ควรต้องมีอนุภาคขนาดเล็กหรือมวลน้อยมากๆ มาใส่เพื่อเติมเต็มความสมดุลของพลังงานการสลายให้บีตา ในเวลาต่อมา นักฟิสิกส์ เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้สนับสนุนแนวคิดของเพาลี จึงตั้งชื่อโดยใช้ภาษาอิตาเลียนว่า นิวทริโน (neutrino) ที่แปลว่า ตัวเล็กที่เป็นกลางทางไฟฟ้า กว่าจะมีการยืนยันการค้นพบนิวทริโนต้องใช้เวลานานกว่า 26 ปี เมื่อมีการศึกษาเพิ่มขึ้น นิวทริโนจึงถูกจัดอยู่ในอนุภาคมูลฐานกลุ่มเลปตอน (Lepton) ซึ่งมี 3 ประเภท คือ 1. อิเล็กตรอน-นิวทริโน (electron neutrino, ν_e) 2. มิวออน-นิวทริโน (muon neutrino, ν_μ) และ 3. ทาว-นิวทริโน (tau neutrino, ν_τ)

 

          ในปี 1957 นักฟิสิกส์ ชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzchild) ได้นำเสนอแบบจำลองวิวัฒนาการพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Evolutionary Model) เพื่อคำนวณค่าความส่องสว่างให้มีความสอดคล้องของพลังงานกับมวลและรัศมีของดวงอาทิตย์ โดยใจกลางดวงอาทิตย์เป็นปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งมีการปลดปล่อยนิวทริโนออกมาจากกระบวนการห่วงโซ่ โปรตอน-โปรตอน และ วัฏจักร CNO ในปี 1960 เรย์มอนด์ เดวิส (Raymond Davis) สามารถตรวจจับนิวทริโนแสงอาทิตย์ (Solar neutrino) ได้เป็นครั้งแรกที่ใต้ดินเหมืองทองที่เซาท์ดาโคตา ต่อมามีการพัฒนาห้องทดลองการตรวจจับจึงมีหลายชื่อ Homestake experiment หรือ Brookhaven Solar Neutrino experiment ในเวลาต่อมานักฟิสิกส์หลายกลุ่มวัดปริมาณนิวทริโนแสงอาทิตย์มายังโลกนั้น ไม่ตรงกับการคำนวณทางทฤษฏี โดยมีความคาดเคลื่อนอยู่ระหว่างครึ่งหนึ่งจนถึง 2 ใน 3 เมื่อเทียบกับค่าทางทฤษฏี ในเวลานั้น นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถหาคำตอบได้ จึงเรียกเหตุการณ์นี้ว่า ปัญหานิวทริโนแสงอาทิตย์ (solar neutrino problem) เป็นเวลาเกือบ 30 ปี เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ที่มีชื่อว่า Kamiokande ในประเทศญี่ปุ่น โดยมี นักฟิสิกส์ มาซาโตชิ โคชิบะ (Masatoshi Koshiba) เป็นหัวหน้าทีมวิจัย ในวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 1987 ได้ตรวจจับนิวทริโนจากการระเบิดของซูเปอร์โนวา ได้เพียง 12 จากทั้งหมด 10¹⁶ นิวทริโน ซึ่งเป็นยืนยันว่า จำนวนนิวทริโนได้หายไปในระหว่างการเคลื่อนที่ในอวกาศ จากผลงานของเดวิสและโคชิบะซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการตรวจจับนิวทริโนในจักรวาลด้านดาราศาสตร์จึงทำให้ทั้ง 2 คนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ปี 2002

          ในปี 1957 นักฟิสิกส์ บรูโน่ ปอนเตคอร์โว (Bruno Pontecorvo) พัฒนาทฤษฏีการสั่นของนิวทริโน (neutrino oscillations) ที่ใช้หลักการเดียวกับการสั่นของเคออน (kaon oscillations) คือ เมื่อมีลำแสงเคออน K⁰ จะเปลี่ยนไปเป็นปฏิอนุภาค \(K ̅^0\) ในขณะที่กำลังเคลื่อนที่แบบแผ่ (propagate) จากนั้นเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นก็กลับมาเป็น เคออน K⁰ เหมือนเดิม และวนเวียนแบบนี้เหมือนกับการสั่น


          การสั่นของนิวทริโนถูกตีความว่า ถ้าเริ่มต้นด้วยอิเล็กตรอน-นิวทริโนเคลื่อนที่แบบแผ่ได้ระยะทางหนึ่งก็จะมีบางส่วนสามารถเปลี่ยนไป มิวออน-นิวทริโน หรือ ทาว-นิวทริโนได้ จากนั้นเมื่อเคลื่อนที่ได้ระยะทางหนึ่งก็จะมีบางส่วนกลับมาเป็นอิเล็กตรอน-นิวทริโนในตอนเริ่มต้นดังรูปที่ 2 เมื่อนำมาปะติดปะต่อกับปัญหานิวทริโนแสงอาทิตย์ โดยนิวทริโนแสงอาทิตย์ คือ อิเล็กตรอน-นิวทริโนที่ตรวจจับได้น้อยกว่าทางทฤษฏี เนื่องจากอิเล็กตรอนนิวทริโนจำนวนเกินครึ่งได้เปลี่ยนไปเป็นนิวทริโนประเภทอื่น (มิวออน-นิวทริโน, ทาว-นิวทริโน) ซึ่งในสมัยนั้นไม่สามารถตรวจจับได้ และตรวจได้เฉพาะอิเล็กตรอน-นิวทริโนจึงส่งผลให้อิเล็กตรอน-นิวทริโนจากแสงอาทิตย์มีจำนวนน้อยกว่าทางทฤษฏี

          ในปี 1989 Super-Kamiokande ที่ตรวจับนิวทริโนโดยมีแทงค์น้ำอยู่ใต้ดินประมาณ 1,000 เมตร เมื่อนิวทริโนมาชนกลับโมเลกุลของน้ำในแทงน้ำอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เกิดอนุภาคมีประจุและเคลื่อนที่พร้อมกับแผ่รังสีเชเรนคอฟ (Cherenkov radiation) ซึ่งการตรวจจับผ่านแสงนี้ โดยรังสีเชเรนคอฟเกิดจากอนุภาคมีประจุเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสงในน้ำ อนุภาคมีประจุจะแผ่รังสีออกมา (ความเร็วแสงในน้ำมีความเร็วประมาณ 75 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสงในสูญญากาศ) ทีมนักวิจัยของ ทาคาอากิ คาจิตะ (Takaaki Kajita) พบว่า มิวออน-นิวทริโนที่เคลื่อนที่นานกว่านั้น ก็จะเปลี่ยนไปเป็นนิวทริโนประเภทอื่น ดังรูปที่ 3  และ Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ในประเทศแคนนาดาที่มี อาร์เธอร์ แมคโดนัลด์ (Arthur McDonald) เป็นหัวหน้า พบว่า อิเล็กตรอน-นิวทริโนบางตัวเปลี่ยนไปเป็นนิวทริโนประเภทอื่น ดังรูปที่ 4 จากผลงานของ ทาคาอากิ คาจิตะ และ อาร์เธอร์ แมคโดนัลด์ ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการตรวจจับนิวทริโนในจักรวาลด้านดาราศาสตร์จึงทำให้ทั้ง 2 คนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ปี 2015

            หลักฐานจากค้นพบปรากฏการณ์การสั่นของนิวทริโนก็เป็นการยืนยันว่า นิวทริโนมีมวลเนื่องจากสอดคล้องกับทางทฤษฏีควอนตัมฟิสิกส์อนุภาคหรือ Mikheev-Smirnov-Wolfenstein effect การเปลี่ยนประเภทของนิวทริโนจากการเคลื่อนที่แบบแผ่นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของมวลด้วยจึงทำให้การคำนวณทางทฤษฏีในแบบจำลองมาตรฐาน (standard model) ต้องพิจารณามวลนิวทริโนที่มีอยู่น้อยนิดเข้าไปด้วยอย่างมีความสำคัญ

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] The Nobel Prize in Physics 2015 “The chameleons of space”, Popular Science Background https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/
• [2] The Nobel Prize in Physics 2015, Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/
• [3] Meszéna, Balázs. "Neutrino Oscillations". Wolfram Demonstrations Project. Retrieved 8 October 2015. These images were created with Mathematica. The demonstration allows exploration of the parameters.