Blockdit Logo (Mobile)
Science Complex
•
17 พ.ค. 2020 เวลา 15:09 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
SciStory EP6 - อนุภาคนิวทริโนเท่าที่รู้
บทความนี้เกิดจากความสงสัยที่ว่าอนุภาคนิวทริโน มันคืออะไร ใครค้นพบ ค้นพบได้อย่างไร มีกี่ชนิด ปัจจุบันเราค้นพบมันอย่างไร นำไปประยุกต์ใช้อะไรได้บ้าง
ยาวหน่อยถึงมากกก หวังว่าจะช่วยเปิดโลกและมุมมองเกี่ยวกับอนุภาคจิ๋วนี้ไม่มากก็น้อยนะครับ
ทุก ๆ 1 วินาทีจะมีอนุภาคนิวทริโนประมาณ 65,000 ล้านอนุภาคจากดวงอาทิตย์กระทบพื้นผิวโลกหนึ่งตารางเซนติเมตร ด้วยความเป็นอนุภาคที่มีอำนาจทะลุทลวงสูงชนิดหนึ่งทำให้มันวิ่งผ่านสสาร สิ่งปลูกสร้างต่าง ๆ หรือแม้กระทั่งร่างกายเราอยู่ทุกเมื่อเชื่อวัน
นิวทริโนมีอยู่ด้วยกัน 3 ชนิด ได้แก่
1
1. Electron Neutrino ค้นพบโดย Clyde Cowan และ Frederick Reines สองนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันในปี ค.ศ. 1956
2. Muon Neutrino ค้นพบโดย Leon Lederman, Melvin Schwartz และ Jack Steinberger สามนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันในปี ค.ศ. 1962
และชนิดที่ 3 Tau Neutrino ค้นพบโดยเครื่องมือ DONUT ที่ไม่ใช่ขนม แต่มีชื่อเต็มคือ Direct Observation of the Nu Tau ในปี ค.ศ. 2000 ตั้งอยู่ที่ Fermilab แลปที่ค้นคว้าวิจัยอนุภาคโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค ผลการค้นพบยืนยันการมีอยู่ของ Tau Neutrino ทำให้อนุภาคในหมวด Lepton ที่ทำนายโดย Standard Model ครบถ้วนสมบูรณ์
Standard Model ของอนุภาคพื้นฐานในธรรมชาติ แต่เดิมเราเชื่อว่าอนุภาคมูลฐานมีเพียง โปรตอน อิเล็กตรอนและนิวตรอน แต่ปัจจุบันเราค้นพบอนุภาคขนาดเล็กเพิ่มเติมและได้จัดเป็น 4 หมวด ได้แก่ Quakes, Gauge Bosons, Scalar Bosons และ Leptons โดยอนุภาคนิวทริโนจัดอยู่ในหมวด Leptons
ถึงแม้ผลงานการค้นพบจะเป็นของชาวอเมริกันก็ตาม แต่ผู้ที่วางรากฐานแนวคิดเกี่ยวกับนิวทริโนกลับเป็นชาวออสเตรียนามว่า
“Wolfgang Ernst Pauli”
ชายที่มีผลงานมากมายไม่ว่าจะเป็น หลักการกีดกันของเพาลี ระบบคณิตศาสตร์เมทริกซ์แบบเพาลี ปรากฏการณ์เพาลี สมการเพาลี และอีกอื่น ๆ อีกมากมาย แต่น่าเสียดายถึงแม้ Pauli ได้สมมติฐานการมีอยู่ของนิวทริโนแต่เขาก็ไม่ได้เผยแพร่แนวคิดดังกล่าวรหือทดลองตรวจสอบสมมติฐานดังกล่าวด้วยตัวเอง
หลังจาก Rutherford สันนิษฐานการมีอยู่ของนิวตรอนในปี ค.ศ. 1920 ต่อมาในปี ค.ศ. 1930 เพาลีอธิบายการสลายตัวของรังสีเบตา (Beta Decay) โดยใช้กฎอนุรักษ์พลังงาน กฎอนุรักษ์โมเมนตัม และโมเมนตัมเชิงมุม โดยจะสลายตัวให้อนุภาคนิวตรอน ซึ่งยังไม่มีใครค้นพบมาก่อน (เสริมแนวคิด Rutherford) จนกระทั่ง James Chadwick ค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932
ในปี ค.ศ. 1933 นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่แห่งอิตาลี Enrico Fermi ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการสลายตัวของนิวตรอนที่ได้จากการสลายตัวของรังสีเบตาอีกทอดหนึ่ง
อนุภาคนิวตรอนได้สลายออกมาเป็น โปรตอน + อิเล็กตรอน รวมทั้งอนุภาคที่เป็นหัวข้อของบทความนี้ นั่นก็คือ นิวทริโน เนื่องจาก Fermi เป็นชาวอิตาลี เขาเลยตั้งชื่ออนุภาคปริศนานี้ว่า Neutrino ในภาษาอิตาลีแปลว่า นิวตรอนที่มีมวลน้อย
1
เนื่องด้วยความที่นิวทริโนไม่มีประจุไฟฟ้าเช่นเดียวกับนิวตรอน แต่มีมวลน้อยกว่ามาก ๆ นั่นหมายถึงยังคงทำอันตรกิริยากับแรงโน้มถ่วง (Gravity) ได้
นิวทริโนมีมวลน้อยแค่ไหน? เรารู้อยู่แล้วว่านิวตรอนกับอิเล็กตรอนก็มวลน้อยมหาศาลอยู่แล้ว แต่นิวทริโนมีมวลน้อยกว่านิวตรอนประมาณ 7,800,000 เท่า และน้อยกว่าอิเล็กตรอน 4 ล้านเท่า สมชื่อจริง ๆ
หลังจากนั้นต่อมาจึงค้นพบอนุภาคนิวทริโนทั้ง 3 ชนิด ก่อเกิดการพัฒนาทฤษฎีแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Force) ที่เป็นเหตุให้อนุภาคย่อยเหล่านี้เกาะกันไว้อย่างหลวม ๆ ก่อนสลายตัว ทำให้ Enrico Fermi โด่งดัง ชื่อ Fermilab ก็ถูกตั้งเป็นเกียรติให้กับเขา และถูกยกย่องให้เป็น “The Architect of the nuclear age” หรือ “สถาปนิกแห่งยุคฟิสิกส์นิวเคลียร์” ในขณะเดียวกัน Ernest Rutherford ถูกยกให้เห็นบิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์ (The Father of nuclear physics)
โดยปกตินิวทริโนเกิดจากกระบวนสลายตัวให้กัมมันตภาพรังสีตามที่กล่าวมาข้างต้น แต่นอกจากนั้นยังเกิดขึ้นจากกระบวนการเหล่านี้ได้ ดังนี้
1. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามธรรมชาติ ณ แกนกลางของดาวฤกษ์
2. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น เช่น ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ระเบิดนิวเคลียร์ เครื่องเร่งอนุภาค เป็นต้น
3. ขณะเกิด Supernova ของดาวฤกษ์
4. ระหว่างการหมุนของดาวนิวตรอน
5. รังสีคอสมิกจากใจกลางกาแล็กซี
6. หรืออนุภาคที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูงพุ่งชนอะตอม
การตรวจพบโดยตรงครั้งแรก
ในปี ค.ศ. 1942 Wang Ganchang นักฟิสิกส์ชาวจีนได้เสนอว่าตัวตรวจจับรังสีบีตาอาจใช้ตรวจหานิวทริโนได้ จนกระทั่งในวันที่ 20 กรกฎาคม ค.ศ. 1956 Clyde Cowan และ Frederick Reines และทีมงาน ค้นพบนิวทริโนชนิด Electron Neutrino เป็นครั้งแรก คว้ารางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1995 ไปครอง
จากข้อมูลก่อนหน้าเราทราบว่านิวทริโนที่ Cowan-Reines ค้นพบก็คือ Electron Neutrino การทดลองของทั้งสองยังพบปฏิยานุภาค (Anitiparticle) หรือ Antineutrino อีกด้วย และเมื่อ Antineutrino ทำปฏิกิริยากับโปรตอนทำให้เกิดอนุภาคนิวตรอนและโพซิตรอนเกิดขึ้นตามมา
เนื่องด้วยโพซิตรอนเป็นปฏิกิริยานุภาคกับอิเล็กตรอนมีความไวปฏิกิริยาต่อกันมาก หลังจากชนกันจะเกิดการบรรลัยขึ้น (Annihilation) หรือปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงอย่างรังสีแกมมา ซึ่งสามารถตรวจวัดได้ ทำให้เป็นตัวชี้วัดได้ว่ามีนิวทริโนอยู่จริง
3
ในปี ค.ศ. 1965 Friedel Sellschop นักฟิสิกส์ชาวแอฟริกันนอกจากความเชี่ยวชาญในด้าน Diamond Physics หรือการนำเพชรมาใช้ศึกษาทางด้าน Electrical และ Optical แล้ว เขาและทีมได้สร้างห้องทดลองที่อยู่ลึกลงไป 3 กิโลเมตรจากพื้นดินในเหมืองแร่ทองคำแห่งหนึ่งทางตอนใต้ของแอฟริกา ภายหลังยืนยันได้ว่าเป็นการตรวจพบอนุภาคนิวทริโนในธรรมชาติได้เป็นครั้งแรก
จากนั้นการค้นพบ Antineutrino จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจในแวดวงนักฟิสิกส์ (Neutrino Flavor) จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1962 Leon Lederman, Melvin Schwartz และ Jack Steinberger ค้นพบ Muon Neutrino และในปี ค.ศ. 2000 Fermilab ก็ค้นพบ Tau Neutrino ในที่สุด
ในปี ค.ศ. 2002 Raymond Davis, Jr. (นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน) และ Masatoshi Koshiba (นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น) สามารถทำให้การตรวจหานิวทริโนอยู่ในระดับ Real-Time ได้เป็นครั้งแรก ทั้งสองได้สร้างห้องทดลองในเหมือง Kamiokande II เคยเป็นแหล่งแร่สังกะสีในประเทศญี่ปุ่น หรือรู้จักกันในชื่อหอสังเกตการณ์ Kamiokande ปัจจุบันอัพเกรดและเปลี่ยนชื่อเป็น Hyper-Kamiokande
1
ลึกลงไปในเหมืองแร่ดังกล่าวจะมีแทงค์น้ำขนาดมหึมาพร้อมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตรวจจับประกายแสงที่เกิดขึ้นจากการที่นิวทริโนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำ
รังสีหรือประกายที่เกิดขึ้นดังกล่าวจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วของแสงที่อยู่ในน้ำ หรือเราเรียกว่าการแผ่รังสีเชอเรนคอฟ (Cherenkov Radiation) อ้าว! แต่นิวทริโนไม่มีประจุ แล้วทำไมถึงใช้วิธีการดังกล่าวในการตรวจหานิวทริโนได้
การแผ่รังสีเชเรนคอฟที่เห็นนี้ มาจากเตาปฏิกรณ์ที่สถาบันวิจัย Reed ในสหรัฐอเมริกา เนื่องจากเตาปฏิกรณ์ปลดปล่อยรังสีตลอดเวลาเราจึงเห็นการเรืองแสงแบบต่อเนื่อง แต่ในการหาอนุภาคนิวทริโนรังสีที่แผ่ออกมาจากการชนระหว่างนิวทริโนและอนุภาคในของเหลวนาน ๆ จะเกิดขึ้นที จึงทำให้เราต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับชนิดพิเศษ ©Reed Research Reactor
เมื่ออนุภาคนิวทริโนวิ่งเข้ามาในแทงค์น้ำจะชนกับอนุภาคของน้ำจะทำให้เกิดอิเล็กตรอน ไม่ก็มิวออนเกิดขึ้น (เป็นอนุภาคที่มีประจุเท่ากับอิเล็กตรอนแต่มวลมากกว่า) อนุภาคที่มีประจุเหล่านี้นี่เองที่วิ่งเร็วมากกว่าความเร็วแสงในน้ำทำให้เกิดรังสีเชอเรนคอฟเกิดขึ้นได้ แต่รังสีจะส่องประกายได้ไม่นาน ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงต้องสร้างตัวตรวจจับแสงที่มีความไวสูง นั่นก็คือ ท่อ Photomulipier โดยเป็นท่อสูญญากาศภายในมีไดโอดชนิด Avalanche Photodiode (APD) อยู่ซึ่งมีความไวในการตรวจจับแสงเป็นอย่างมาก (Highly sensitive) เมื่อ Photomulipier ตรวจจับแสงที่มีเอกลักษณ์ของพลังงานเฉพาะค่าได้ นั่นหมายถึง เราตรวจเจอนิวทริโนเข้าให้แล้ว
ภายในหอสังเกตการณ์ Hyper-Kamiokande โดยในปี ค.ศ. 2018 วิศวกรได้ทำการปรับปรุงและพัฒนาตัวตรวจจับแสงใหม่โดยก่อนหน้าตัวตรวจจับ หลังจากใช้งานมาหลายสิบปีและในปี ค.ศ. 2001 ตัวตรวจจับเคยพังโดยอุบัติเหตุมากกว่าครึ่งหนึ่ง ©Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), the University of Tokyo
ด้วยผลงานดังกล่าวทำให้ Raymond Davis, Jr.และ Masatoshi Koshiba ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2002 สำหรับการตรวจจับแหล่งที่มาของนิวทรโนที่มาจากซุปเปอร์โนวา SN 1987A ตั้งอยู่ใกล้กับกาแล็กซีเมฆแมเจลแลนใหญ่ (Large Magellanic Cloud) และเป็นผู้บุกเบิกศาสตร์สาขาใหม่ทางดาราศาสตร์ที่เรียกว่า Neutrino Astronomy
การตรวจหานิวทริโนในปัจจุบันและการประยุกต์
ปัจจุบันการตรวจจับหาอนุภาคนิวทริโนได้พัฒนาขึ้นไปอีกก้าวหนึ่ง
ณ สถานที่อันหนาวเหน็บใจกลางขั้วโลกใต้ มีหอสังเกตการณ์นิวทริโนนามว่า IceCube ตั้งอยู่ลึกลงไปในชั้นน้ำแข็งประมาณ 2,450 เมตร พื้นที่ในบริเวณนี้อยู่ห่างไกลจากสัญญาณรบกวนทั้งกิจกรรมที่มาจากธรรมชาติและมนุษย์ ทำให้มีโอกาสเจออนุภาคนิวทริโนได้มากที่สุด IceCube กินขนาดพื้นที่ประมาณ 1 ตารางลูกบาศก์กิโลเมตร เป้าหมายคือ ตรวจจับหาอนุภาคนิวทริโนที่มีพลังงานระดับเทระอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV)
IceCube ยังรู้จักในอีกชื่อว่า The Largest Neutrino Telescope in the world ด้วยงบประมาณในการก่อสร้างรวม 279 ล้านดอลลาร์สหรัฐ พัฒนาและดูแลโดยมหาวิทยาลัย Wisconsin-Madison ในเดือนพฤศจิกายนปี ค.ศ. 2013 IceCube ได้ประกาศการค้นพบนิวทริโนที่มีพลังงานสูงมากกว่า 28 อนุภาค โดยมีแหล่งที่มาจากภายนอกระบบสุริยะ
ตัวอย่างการตรวจจับเจออนุภาคนิวทริโน ในวันที่ 12 พฤศจิกายน 2010 ชื่อเล่นว่า ดอกเตอร์ Strangepork ระดับพลังงาน 71.4 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ในช่วงเวลาที่สั้นเพียง 3,800 นาโนวินาที สีแดงหมายถึงบริเวณที่ตัวตรวจจับจับได้เป็นครั้งแรก และสีเขียวคือบริเวณช่วงท้ายของการตรวจจับ จึงทำให้เราทราบทิศทางการเคลื่อนที่ของมันได้
ถ้าถามว่าลงทุนหานิวทริโนซะขนาดนี้ มีประโยชน์ในด้านใดกันนะ? ในเดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2017 IceCube ตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูงที่พุ่งมาชนตัวตรวจจับ ด้วยความที่ IceCube มีหัวตรวจจับจำนวนมากทำให้การคำนวณย้อนไปว่านิวทริโนพลังงานสูงพุ่งมาจากทิศใดเป็นเรื่องไม่ยาก
โดยนักวิจัยพบว่ามันมาจากใจกลางกาแล็กซีที่กำลังปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูง (Blazar) ที่ชื่อว่า TXS 0560+056 อยู่ห่างออกไป 5.7 พันล้านปีแสง ตั้งอยู่ในบริเวณกลุ่มดาวนายพราน (Constellation Orion) นี่จึงเป็นครั้งแรกที่เราใช้ประโยชน์จากการตรวจจับนิวทริโนในการระบุที่ตั้งของเทหวัตถุในอวกาศ และเป็นเครื่องมือในการระบุแหล่งที่มาของรังสีคอสมิกได้
ในช่วงเดือนพฤศจิกายน ปี ค.ศ. 2012 ที่นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันนำโดย Stancil, D.D. และทีมวิจัยอีกหลายคน ได้ตีพิมพ์วารสารในหัวข้อ Demonstration of communication using neutrinos โดยพวกเขาได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาคส่งนิวทริโนพร้อมข้อมูลบางอย่างผ่านชั้นเปลือกโลกลึกลงไปประมาณ 780 ฟุต นี่ถือเป็นความพยายามแรกในการใช้นิวทริโนเพื่อการสื่อสาร (เนื่องจากอำนาจทะลุทลวงสูงมากและเป็นอันตรายกับมนุษย์น้อยที่สุดเมื่อเทียบกับอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น) ในอนาคตพวกเขาจะลองส่งไปยังชั้นหินที่มีความหนาแน่นยิ่งยวดอย่างแก่นโลกอีกด้วย
Bottom line: เกร็ดน่ารู้จากรูปหน้าปกบทความ
อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์นี้มีชื่อว่า Magnetic Horn หรือรู้จักกันในชื่อ Neutrino Horn ออกแบบโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Simon Van der Meer จากสถาบัน CERN มันจะทำหน้าที่เลือกและโฟกัสลำอนุภาค Pions ให้มีลำแคบมาก ๆ (Sharp Beam) เมื่อถึงจุดหนึ่งอนุภาค Pions จะสลายตัวให้อนุภาค Muons และ Neutrinos หรือ Antineutrinos ออกมา ถ้าปรับโฟกัสได้ถูกค่าและเสถียรพอเราจะได้ลำอนุภาคนิวทริโนตามต้องการ หรืออาจกล่าวได้ว่ามันคืออุปกรณ์สร้างลำอนุภาคนิวทริโนนั่นเอง
Simon van der Meer ยังมีผลงานในการทำให้ CERN ค้นพบอนุภาค W และ Z Boson อีกด้วย ซึ่งเป็นอนุภาคตัวกลางอันตรกิริยาอย่างอ่อน (Weak Interaction) และเป็นนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลประจำปี ค.ศ. 1984 แชร์ผลงานกับ Carlo Rubbia นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีอีกด้วย
เรียบเรียงโดย Einstein@min | thaiphysicsteacher.com
ติดตามผ่านช่องทางอื่น ๆ ได้ที่

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา