Neutrino อนุภาคผี
ณ ขณะวินาทีนี้ ที่เรากำลังอ่านบทความเรื่องนี้อยู่ มีอนุภาคชนิดหนึ่งจำนวนนับล้านล้านตัว กำลังพุ่งผ่านตัวของเรา แล้วไปทะลุออกอีกด้านหนึ่งของโลก โดยที่เราไม่ได้รับรู้ถึงมันเลย หรือแม้ว่าเราจะมีเครื่องมือที่ทันสมัยที่สุด ก็ยังเป็นเรื่องที่ยากมากในการตรวจจับมันโดยตรง อนุภาคชนิดนี้มันเหมือนกับผี ที่เราเชื่อว่ามันมี แต่ตรวจจับไม่ได้ เราจึงเรียกมันอย่างตลกๆว่า “อนุภาคผี” หรือชื่ออย่างเป็นทางการว่า "นิวทริโน (neutrino)"
คำถามคือ:
- ●ถ้ามันตรวจจับไม่ได้ ทำไมนักฟิสิกส์จึงเชื่อว่ามันมีอยู่จริง?
- ●แล้วทำไมมันถึงตรวจจับได้ยากมากขนาดนั้น?
- ●ถ้าตรวจจับโดยตรงได้ยาก แล้วมีวิธีพิสูจน์ทางอ้อมอย่างไรได้บ้าง?
นิวทริโนสร้างปัญหาให้กับฟิสิกส์ยุคใหม่เป็นอย่างมาก เพราะแบบจำลองมาตรฐาน ที่เปรียบเสมือนเป็นพระไตรปิฎกของทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ในปัจจุบัน ยังไม่สามารถอธิบายมันได้อย่างสมบูรณ์
ถ้านักฟิสิกส์ไฟแรงคนไหน ค้นพบทฤษฎีที่อธิบายนิวทริโนนี้ได้อย่างสมบูรณ์ เตรียมตัวรับรางวัลโนเบลได้เลย
สำหรับบทความนี้เราจะมาเรียนรู้เกี่ยวกับเจ้าอนุภาคผีเบื้องต้นกันครับ
- ●ทำไมนักฟิสิกส์ถึงเชื่อว่านิวทริโนมีอยู่จริง?
จุดเริ่มต้นมาจาก การศึกษาการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี กล่าวคือนิวเคลียส(กระจุกของโปรตอนและนิวตรอนตรงกลางอะตอม)ของธาตุกัมมันตรังสีเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร หมายความว่า นิวเคลียสของมันจะสลายตัวและกลายร่างเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เสถียรกว่า โดยการสลายตัวของมันมีชื่อเรียกว่า “การสลายให้อนุภาคบีต้า(beta decay)” โดยอนุภาคบีต้าก็คือ อิเล็กตรอนความเร็วสูง
การสลายตัวมีอยู่ด้วยกัน 3 แบบ คือ
- 1.การสลายตัวให้อนุภาคบีต้าลบ คือ นิวตรอนอยู่ดีๆมันก็กลายร่างเป็นโปรตอนแล้วพ่นอิเล็กตรอนความเร็วสูง(บีต้าลบ)ออกมา
- 2.การสลายตัวให้อนุภาคบีต้าบวก คือ โปรตอนอยู่ดีๆก็กลายร่างเป็นนิวตรอนได้เช่นกัน พร้อมกับพ่นอนุภาคบีต้าบวกออกมา โดยเจ้าอนุภาคบีต้าบวกก็คือ ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นบวก มีชื่อเรียกแปลกๆว่า "โพสิตรอน"
- 3.การจับอิเล็กตรอน คือ โปรตอนในนิวเคลียส วันดีคืนดีได้ไปจับเอาอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบๆเข้ามาข้างในนิวเคลียส ทำให้โปรตรอนมันกลายร่างเป็นนิวตรอน
การสลายให้อนุภาคบีต้า (beta decay)
แต่แล้วปัญหามันก็เกิดขึ้นมา เมื่อใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษคำนวณพลังจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกพ่นออกมาจากนิวเคลียส พบว่า เราได้พลังงานจลน์ค่าเดียว
แต่จากการทดลอง พบว่า พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนมีได้หลากหลายค่า และส่วนมากจะมีพลังงานน้อยกว่าที่คำนวนได้ หมายความว่า มีพลังงานบางส่วนของอิเล็กตรอนหายไป ดูรูป
พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนความเร็วสูง
เกิดเป็นปัญหาขึ้นมาคือ อิเล็กตรอนที่ถูกพ่นออกมามันไม่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ยิ่งไปกว่านั้น ทิศทางที่อิเล็กตรอนพุ่งออกมาไม่เป็นไปตามที่กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น และสปินของมันก็ยังไม่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม
โมเมนตัมเชิงเส้นของการสลายบีต้า
มันเป็นสิ่งที่น่ากังวลอย่างมาก เพราะ กฎการอนุรักษ์พลังงานในฟิสิกส์เปรียบเสมือนเป็นกฎหมายอันศักดิ์สิทธิ์ที่จะละเมิดมิได้ นอกจากนี้ ยังมีอีกสองกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมที่ศักดิ์สิทธิ์พอๆกันที่ห้ามละเมิด แต่การสลายตัวให้อนุภาคบีต้าละเมิดทุกอย่าง ซึ่งเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ในวงการฟิสิกส์ แต่ผลการทดลองก็ยืนยันให้เห็นเป็นที่ประจักษ์แล้วว่า กฎการอนุรักษ์ไม่เป็นจริง!!! นักฟิสิกส์บางคนถึงกับบอกว่า บางทีกฎการอนุรักษ์อาจจะไม่ศักดิ์สิทธ์อีกต่อไปแล้ว...
ในปี ค.ศ.1930 นักฟิสิกส์ชื่อ โวล์ฟกัง เพาลี(Wolfgang Pauli) ได้บอกว่า ไม่จริง!!! กฎการอนุรักษ์มันยังคงศักดิ์สิทธิ์เสมอ แต่ที่พลังงานมันหายไป ทิศทางไม่ถูกต้อง และสปินไม่สอดคล้อง เพราะมันมีอนุภาคที่เราตรวจวัดไม่เจอ มันแบ่งเอาพลังงานไป แล้วมันพุ่งออกมาพร้อมอิเล็กตรอนแต่คนละมุม และสปินที่หายไปก็คือสปินของมันนี้แหละ อนุภาคตัวนี้มาเติมเต็มให้กฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมไม่ถูกละเมิด ดังนั้น ในสมการการสลายให้อนุภาคบีต้าต้องเพิ่มอนุภาคตัวนี้ลงไปด้วย
เพิ่มนิวทริโนลงไปในสมการการสลายตัวของบีต้า
- ●แล้วทำไมนิวทริโนถึงตรวจจับได้ยากมากขนาดนั้น?
เอนริโก เฟร์มี(Enrico Fermi) ได้ตั้งชื่อแปลกๆให้กับอนุภาคนี้ว่า “นิวทริโน” โดยนิวทริโนที่ถูกพ่นออกมาจากกระบวนการสลายให้อนุภาคบีต้า มีทั้งนิวทริโนและปฏิอนุภาคของมัน เรียกว่าแอนตินิวทริโน(antineutrino)
สมบัติของนิวทริโนประกอบไปด้วย มีมวลน้อยมากๆ, ไม่มีประจุ และมีสปิน ½ เนื่องจากว่ามันไม่มีประจุ ความแตกต่างระหว่าง นิวทริโนและแอนตินิวทริโน คือ นิวทริโนสอดคล้องกับกฎมือซ้าย แต่แอนตินิวทริโนจะใช้มือขวา (รายละเอียดในหัวข้อนี้มีมาก จะพูดในบทความต่อๆไปครับ)
โดยอนุภาคนี้ไม่ทำอันตรกิริยากับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหมายความว่า นิวทริโนที่มีพลังงานแค่เล็กน้อย มันก็สามารถทะลุผ่านอะตอมในร่างกายเราหรือแม้แต่โลกทั้งใบได้อย่างสบายๆ เพราะในอะตอมใช้แรงอย่างเข้มยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน และใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายึดอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสเข้าด้วยกัน
จึงเป็นเหตุผลที่ว่า การตรวจจับนิวทริโนโดยตรงถึงทำได้ยากมาก เพราะ มวลมันน้อยและไม่ทำอันตรกิริยากับใครเลย ยกเว้นแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ซึ่งจะเจอในธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร ถ้าจะตรวจวัดกันจริงๆ ต้องกระทำโดยทางอ้อมเท่านั้น แล้วปฏิบัติการล่าอนุภาคผีจึงได้เริ่มต้นขึ้น
- ●ถ้าตรวจจับโดยตรงได้ยาก แล้วมีวิธีพิสูจน์ทางอ้อมอย่างไรได้บ้าง?
ถึงแม้ว่าในทางทฤษฎีจะมีการทำนายอนุภาคนี้มาตั้งแต่ปี 1930 แต่การทดลองเพื่อยืนยันการมีอยู่ของอนุภาคนี้ใช้เวลาอีก 26 ปีให้หลัง โดย เฟรเดอริค รีนส์ (Frederick Reines) และ ไคลดี โคแวน (Clyde Cowan) ได้ศึกษาปฏิกิริยาย้อนกลับของการสลายบีต้า คือ ในทางทฤษฎี โปรตอนในนิวเคลียสเวลาที่มันกลายร่างเป็นนิวตรอน มันจะพ่นโพสิตรอนและแอนตินิวทริโนออกมา แต่ในปฏิกิริยาย้อนกลับ โปรตอนจะดูดแอนตินิวทริโนเข้าไป แล้วกลายร่างเป็นนิวตรอน พร้อมกับพ่นโพสิตรอนออกมา
ทีมของ รีนส์และโคแวน ตั้งชื่อโปรเจคว่า poltergeist การตามล่าหาผี
รีนส์และโคแวน ทำการทดลองโดยการระดมยิงลำอนุภาคที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังสูง ไปยังถังน้ำที่มีสารละลาย CdCl2 อยู่ จากทฤษฎีเราทราบว่า ในปฏิกิริยาย้อนกลับ โปรตอนจะดูดแอนตินิวทริโน กลายเป็นนิวตรอนแล้วพ่นโพสิตรอนออกมา
โดย Cd ในสารละลาย เป็นธาตุที่เมื่อมันดูดนิวตรอนเข้าไป มันจะไม่เสถียรแล้วจะปล่อยรังสีแกมมาออกมา ในขณะที่โพสิตรอนเมื่อมันวิ่งไปเจอกับอิเล็กตรอนในน้ำ มันจะเกิดการประลัยคู่หายวับไปกลายเป็นรังสีแกมมาเช่นกัน นั่นหมายความว่า ถ้ามีแอนตินิวทริโนอยู่จริงๆ การทดลองจะต้องตรวจพบรังสีแกมมา 2 ครั้งในเวลาใกล้ๆกัน
การทดลองพบว่า มีแอนตินิวทริโนจริงๆ โดยพบแอนตินิวทริโนทำปฏิกิริยากับ CdCl2 ประมาณ 3 ครั้งต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นอัตราที่น้อยมากเพราะส่วนมากแล้วแอนตินิวทริโนจะทะลุถังน้ำผ่านไปเฉยๆ แต่ผลการทดลองก็ยืนยันแล้วว่า มีแอนตินิวทริโนอยู่จริง ผลงานนี้ทำให้ รีนส์ ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1995 เสียดายที่ โคแวน เสียชีวิตก่อน
- ●ปัญหาของนิวทริโนในปัจจุบัน
ในแบบจำลองมาตรฐานบอกว่า นิวทริโนนั้นไม่มีมวล แต่จากการทดลองนักฟิสิกส์ค่อนข้างจะมั่นใจแล้วว่า นิวทริโน มีมวลแต่มีมวลน้อยมากๆ จากปรากฏการณ์ neutrino oscillation หรือการเปลี่ยนชนิดของนิวทริโน
ในปัจจุบันเราพบว่านิวทริโนมี 3 ประเภท คือ อิเล็กตรอนนิวทริโน, มิวออนนิวทริโน และ ทาวออนนิวทริโน โดยการสังเกตนิวทริโนที่มาจากห้วงอวกาศอันไกลพ้น เราพบว่า นิวทริโน ที่ตรวจจับได้มันน้อยกว่าที่ควรจะเป็น หมายความว่า มันมีนิวทริโนบางส่วนหายไปในระหว่างการเดินทางมายังโลก แล้วมันหายไปได้อย่างไร เพราะ ตัวมันแทบจะไม่ทำอันตรกิริยากับใครเลย!!
ข้อสรุปของการทดลองกล่าวว่า นิวทริโนไม่ได้หายไปไหนหรอก...มันแค่เปลี่ยนชนิดไปเป็นนิวทริโนแบบอื่น จึงสรุปได้ว่า นิวทริโนทั้งสามประเภทสามารถแปลงร่างเปลี่ยนชนิดไปมาได้ จากทฤษฎีบอกว่า การเปลี่ยนชนิดไปมาของนิวทริโนเป็นผลมาจากมวลของมัน ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปว่า นิวทริโนมีมวล (ซึ่งรายละเอียดไว้ผมจะมาเขียนให้ในบทความต่อๆไปนะครับ)
Neutrino oscillation Credit: J-PART
ปัญหาทำไมนิวทริโนถึงมีมวล ในขณะที่แบบจำลองมาตรฐานบอกว่า นิวทริโนไม่มีมวล คำตอบของปัญหานี้ยังคงเป็นปริศนา..............
ในปัจจุบันนี้เรามีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับ นิวทริโนเพิ่มขึ้นกว่าเมื่อก่อนมาก เราสามารถตรวจวัดมันทางอ้อมได้ เราได้ทราบถึงคุณสมบัติประหลาดของมัน ตอนนี้นิวทริโนอาจจะไม่ใช่อนุภาคผีอีกต่อไปแล้วก็ได้ ของบางสิ่งบางอย่างเมื่อเราได้เรียนรู้จนเข้าใจมันมากขึ้น สิ่งลึกลับที่เรียกว่าผี อาจจะไม่ได้น่ากลัวหรือน่ากังวลอีกต่อไป
เรียบเรียงโดย
นักฟิสิกส์ฝึกหัด
อ้างอิง
ฟิสิกส์ของอนุภาคเบื้องต้น โดย รศ.จรัญ พรมสุวรรณ ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยนเรศวร
- 3
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
