การสั่นของนิวทริโน (Neutrino oscillation)

03-11-2021 อ่าน 3,472

          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, νe) 2. มิวออน-นิวทริโน (muon neutrino, νμ) และ 3. ทาว-นิวทริโน (tau neutrino, ντ)

 
รูปที่ 1 : แผนภาพการสั่นของนิวทริโน (Neutrino oscillation)


          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


รูปที่ 2 : ตัวอย่างการสั่นของนิวทริโน เมื่อเริ่มต้นด้วย อิเล็กตรอน-นิวทริโน (เส้นสีดำ) เคลื่อนที่ได้ระยะทางประมาณหนึ่งได้เปลี่ยนไปเป็น มิวออน-นิวทริโน (เส้นสีน้ำเงิน) กับ ทาว-นิวทริโน (เส้นสีแดง) และวนเวียนไปอิเล็กตรอน-นิวทริโน (เส้นสีดำ) กลับไปมาตามการเปลี่ยนแปลงระยะทาง  (Credit Picture ref [3])


          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


รูปที่ 3 : แผนภาพการตรวจจับนิวทริโนของ Super-Kamiokande (Credit Picture ref [1])


          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

 
รูปที่ 4 : แผนภาพการตรวจจับนิวทริโนของ Sudbury Neutrino Observatory (SNO)  (Credit ref [1])

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

 
บทความโดย

ดร. ธีระวัฒน์ ชัชวาลธีรัตต์
 
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ


แหล่งอ้างอิง