นิวทริโน เป็นหนึ่งในอนุภาคที่เร้นลับที่สุดในธรรมชาติ สามารถทะลุทะลวงผ่านโลกของเราไปได้ราวกับมันไม่เคยมีอยู่จริง จนได้ชื่อว่า อนุภาคผี

ฉายา อนุภาคผี ของ นิวทริโน เกิดจากคุณสมบัติของตัวมันเอง ซึ่งเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่แทบจะไม่มีปฏิสัมพันธ์กบับสสารอื่นใดบนโลกเลย อนุภาคนิวทริโนเป็นอนุภาคที่พบมากที่สุดในเอกภพ นักฟิสิกส์ได้ตั้งสมมติฐานว่า ทุกวินาที อนุภาคนิวทริโนประมาณ 100 ล้านล้านอนุภาคจากนอกโลก จะเดินทางผ่านร่างกายเราโดยไม่ทำอันตรายใดๆ อ่านเพิ่มเติมเรื่อง ตารางธาตุ

เนื่องจาก อนุภาคนิวทริโนไม่ค่อยแสดงปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นๆ จึงเป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับและวิเคราะห์อนุภาคชนิดนี้ได้ยาก แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าอนุภาคผีนี้จะไม่แสดงปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นๆ เลย

แม้ว่าจะมีโอกาสพบเจอปฏิกิริยาของนิวทริโนเพียงเล็กน้อย แต่ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่า อนุภาคนิวทริโนมีจำนวนมากมายมหาศาล จึงถูกมองว่า อนุภาคนิวทริโนบางส่วนได้เกิดปฏิกิริยากับสสารอื่นๆ บนโลก ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนิวทริโนมีความน่าจะเป็นในการเกิดปฏิกิริยากับอะตอมในร่างกายมนุษย์ เท่ากับ 1 ในล้านล้านล้านครั้ง (1×10^24)

ความสำคัญและการจัดจำแนกอนุภาคนิวทริโน

การศึกษาอนุภาคนิวทริโนจึงมีความสำคัญในการศึกษาเรื่องแบบจำลองมาตรฐาน (standard model) ของอนุภาคเชิงฟิสิกส์ การศึกษาฟิสิกส์ดาราศาสตร์และหลุ่มดำ รวมไปถึงเรื่องจักรวาลวิทยา และทฤษฎีบิ๊กแบง

ระบบการจัดจำแนกอนุภาคในวิชาฟิสิกส์ ที่เรียกว่า แบบจำลองมาตรฐาน ได้จัดอนุภาคนิวทริโนอยู่ในตระกูลของอนุภาคเลปตอน ซึ่งในตระกูลนี้ประกอบไปด้วย 3 อนุภาคหลัก ได้แก่ นิวทริโนอิเล็กตรอน นิวทริโนมิวออน และนิวทริโนทาว โดยแต่ละอนุภาคมีนิวทริโนและแอนตินิวทริโนที่เกี่ยวข้องกัน

นิวทริโนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ และแสดงความเป็นกลาง ตามชื่อเรียกของมัน แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถวิเคราะห์มวลของนิวทริโนได้อนย่างแม่นยำ แต่พวกเขาพบว่ามันเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก

นักวิทยาศาสตร์ในเยอรมนีได้ทำการทดลองที่มีชื่อว่า Karlsruhe Tritium Neutrino หรือ KATRIN พบว่า นิวทริโนมีมวลประมาณ 0.8 อิเล็กตรอนโวลต์ หรือ eV (อิเล็กตรอนโวลต์ คือ ปริมาณของพลังงานจลน์ที่อิเล็กตรอนได้รับเมื่อถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ 1 โวลต์)

อาจจะมองว่าเป็นเรื่องแปลกที่นักวิทยาสาสตร์แทนหน่วยของน้ำหนักโดยใช้หน่วยของพลังงาน เรื่องนี้อธิบายโดยการย้อนกลับไปที่สมการอันโด่งดังของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (E = mc^2) เพราะการแทนค่าด้วยหน่วยกรัมมีค่าน้อยมาก ซึ่งมวลของนิวทริโน 0.8 eV มีค่าเท่ากับ 1.4×10^–36 กิโลกรัม (สิบยกกำลังลบสามสิบหก) หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า นิวทริโนมีมวลน้อยกว่าอิเล็กตรอนประมาณหนึ่งหมื่นเท่า

จากการทดลอง KATRIN นักวิทยาศาสตร์ได้พบข้อมูลเพิ่มเติมว่า นิวทริโนไม่ทำปฏิกิริยาใดๆ กับแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแรง ที่เป็นแรงยึดระหว่างนิวเคลียสในอะตอมให้ติดกัน ในทางกลับกัน นิวทริโนมีปฏิสัมพันธ์กับแรงอ่อนๆ ที่ควบคุมการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี และนั่นคือ การกำเนิดอนุภาคนิวทริโน อย่างในการทดลอง KATRIN นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดมวลของนิวทริโนได้จากการสลายตัวของไอโซโทปธาตุทริเทียม

การค้นพบอนุภาคนิวทริโน

ในการศึกษาฟิสิกส์ หัวข้อเรื่องพลังงาน และโมเมนตัมเชิงมุม เป็นพื้นฐานสองประการในการศึกษาเรื่องการอนุรักษ์พลังงาน เราไม่สร้างพลังงานจากความว่างเปล่าได้ และโมเมนตัมเชิงมุมก็ไม่สามารถหายไปได้

ย้อนกลับไปในปี 1930 วูล์ฟกัง เปาลี นักฟิสิกส์ควอตัมชื่อดัง ได้ค้นพบว่า ในขณะนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวให้อนุภาคบีตา ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุม จำเป็นต้องมีอนุภาคชนิดใหม่ที่ไม่มีประจุ ไม่มีมวลหรือมีมวลน้อยมาก และมีการหมุนควอนตัมครึ่งอนุภาค หมายความว่า นิวเคลียสมิได้ปลดปล่อยเพียงอนุภาคบีตาเท่านั้น แต่ยังมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ไม่มีทั้งประจุและไม่มีมวลออกมาด้วย การจัดแบ่งพลังงานไปให้อนุภาคลึกลับนี้ บางครั้งก็มากและบางครั้งก็น้อยดังนั้นอนุภาคบีตาจึงมีพลังงานน้อยบ้างและมากบ้างดังที่นักทดลองเห็น

สมมติฐานของเปาลียังไม่ได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นมากนัก จนกระทั่งปี 1957 เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้เสนอทฤษฎีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี และได้ตั้งชื่ออนุภาคลีกลับนี้ว่า นิวตริโน (neutrino) แม้ยังไม่มีใครพบเห็นเพราะอนุภาคไม่มีมวล และไม่มีประจุ แต่มีพลังงาน (แสงก็เป็นอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ไม่มีมวล แต่มี่พลังงาน) จึงแทบไม่ทำอันตรกิริยากับอนุภาศใด ๆ เลย กระนั้นนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ก็เชื่อว่าธรรมชาติมีนิวตรีโนแน่นอน

มันยังคงเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้นจนถึงปี 1971 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสแอละมอส คลายด์ โคแวน และเฟรเดอริก รีนส์ ได้ตรวจจับอนุภาคนิวทริโนสำเร็จเป็นครั้งแรก จากความสำเร็จอันยิ่งใหญ่นี้ รีนส์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1995 ส่วนโคแวนเสียชีวิตไปก่อนนี้ จึงไม่ได้อยู่ชื่นชมรางวัล

นิวทริโนตามธรรมชาติมีแหล่งกำเนิดจากดวงอาทิตย์ ฮานส์ เบเท อธิบายว่า นิวทริโนเกิดขึ้นได้จากหลายเหตุการณ์ เช่น เมื่อนิวเคลียสของไฮโดรเจนสร้างพันธะกันเป็นธาตุฮีเลียม หรือเกิดขึ้นได้เมื่อการเร่งอนุภาคโปรตรอนให้พุ่งชนกับโลหะหนัก หรือสามารถเกิดขึ้นในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูก็ได้

จากข้อมูลดังกล่าว จึงทำให้ เรย์มอนด์ เดวิส นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน มหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย สหรัฐอเมริกา ต้องการตรวจนับนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ เขาออกแบบการทดลองอย่างสุดกำลัง โดยนำถังที่มีปริมาตร 380 ลูกบาศก็เมตร ที่บรรจุสารละลายเปอร์คลอโรเอทีลีนบริสุทธิ์ (perchloroethyene: C.C.) หนัก 615 ตัน ไปฝังไว้ที่ใต้ดินความลึก 1,500 เตร ภายในพื้นที่ของเหมืองทองคำโฮมสเตก ในรัฐเซาท์ดาโกต้า จิตวิญญาณของการเป็นนักฟิสิกส์ที่ทำการทดลองในเหมืองลึกใต้ดินเช่นนี้ ทำให้เดวิสได้รับการขนานนามว่า “นักฟิสิกส์คาวบอย”

เดวิสรู้ว่าอนุภาคนิวตรีโนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันในดวงอาทิตย์เมื่อเดินทางผ่านอวกาศมาปะทะกับอะตอมคลอรีนในโมเลกุลจะเปลี่ยนอะตอมคลอรีนเป็นอะตอมอาร์กอนเพราะอะตอมอาร์กอนเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีชีวิตประมาณ 50 วัน

การทดลองของเดวิสได้สร้างข้อถกเถียงใหม่วงการฟิสิกส์ เนื่องจากตามทฤษฎีได้ทำนายว่า จากอะตอมคลอรีนในถังที่มี 10 อะตอมจะมีเพียง 6-8 จะตอมเท่านั้นที่ทำปฏิกิริยากับนิวทริโน จากนั้นจะมีอะตอมอาร์กอนเกิดขึ้น 6-8 อะตอม แต่เดวิสกลับเห็นเพียง 2.1 + 0.3 อะตอมเท่านั้น นั่นคือเพียง 1 ใน 3 ของค่าที่คาดหวัง จึงทำให้นักฟิสิกส์มองว่ารูปแบบการทดลองของเดวิสเกิดข้อผิดพลาด อย่างไรก็ตาม การทดลองตรวจจับในญี่ปุ่นของห้องปฏิบัติการ Kamiokande โดยมาซาโตชิ โคชีบะ ก็ได้ผลลัพธ์ในทำนองเดียวกันกับการทดลองขอเดวิส

จากการค้นพบของนักฟิสิกส์จากคนละฝั่งซีกโลก ได้เกิดคำถามอื่นๆ ตามมาว่า เรามีปัญหาเรื่องความเข้าใจเกี่ยวกับนิวทริโน หรือเรากำลังมีปัญหาเกี่ยวกับความเข้าใจในข้อเท็จจริงของดวงอาทิตย์

นิวทริโนนั้นแตกต่ำงจากอนุภาคอื่นๆ คือมีมวลไม่คงที่ โดยนิวตริโน 1 อนุภาคจะมีนิวทริโนประเภต่างๆ (นิวทรีในอิเล็กตรอน นิวทริโนมิวออน และนิวทริโนทาว อยู่ปนกัน) ในอัตราส่วนที่แตกต่างกัน เพราะมวลของนิวทริโนทั้งสามเปลี่ยนในอัตราเร็วที่แตกต่างกัน

โดยความเร็วในการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับมวลที่แตกต่าง พลังงานของนิวทริโน และค่าคงตัวที่กำหนดอัตราการเปลี่ยนแปลง ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคนิวทริโนทั้งสามชนิด และโฟตอนไม่มีมวล ดังนั้น ความเร็วของอนุภาคนิวทริโนจึงต้องเท่าความเร็วแสง แต่ถ้านิวทริโนเปลี่ยนแปลงตัวได้ มันต้องมีมวล จึงมีความเร็วในการเคลื่อนที่น้อยกว่าแสง

การวัดมวลของนิวตรีโนทั้งสามชนิดจึงเป็นประเด็นสำคัญมากในวงการฟิสิกส์ และทำให้กลายเป็นประเด็นที่โด่งดัง เพราะในปี 1998 ทีมวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ 120 คน ภายใต้การนำของทาคากิ คาจิตะ แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียว ด้วยเงินสนับสนุนการวิจัยของรัฐบาลญี่ปุ่นกว่าสี่หมื่นล้านบาท ได้แสดงให้เห็นว่า นิวทริโนเป็นอนุภาคที่มีมวล

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า จำนวนอนุภาคนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ที่ระดับภาคพื้นมีค่ามากกว่าที่ระดับสูงขึ้นไป นั่นคือ มิวออนนิวทริโนได้เปลี่ยนไป มันจึงมีมวลที่น้อยกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 10 ล้านเท่า

การทดลองในปัจจุบัน และอนาคตของนิวทริโน

จากการทดลองที่ผ่านมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์เกิดคำถามต่อไปว่า นิวทริโนมีมวลได้อย่างไร นักฟิสิกส์จากทั่วทุกมุมโลกกำลังเร่งหามวลที่แท้จริงของอนุภาคนิวทริโน นำโดยชาติมหาอำนาจอย่างจีน ญี่ปุ่น สหรัฐฯ และชาติยุโรป หนึ่งในโครงการที่น่าสนใจคือ โครงการ ICECUBE ที่ขั้วโลกใต้ เพื่อหาความลับที่ซ่อนเร้นอยู่ในจักรวาลที่เราเคยรู้จักผ่านการประยุกต์ใช้นิวทริโนในงานสำรวจ

ในปัจจุบัน การประยุกต์ใช้งานนิวทริโนส่วนใหญ่เป็นโครงการเกี่ยวกับการสำรวจดวงดาวในอวกาศ และการสำรวจเข้าไปยังใต้พื้นโลกจนถึงแกนกลาง ซึ่งเป็นจุดที่มนุษย์ยังไม่เคยไปถึง

สืบค้นและเรียบเรียง ณภัทรดนัย

ข้อมูลอ้างอิง

https://www.thaiphysicsteacher.com/ neutrino-101/

https://www.prachachat.net/bbc-thai/news-1244078

https://www.scimath.org/article-physics/item/12590-2022-02-15-07-09-42-2

https://www.techexplorist.com/neutrinos-explain-universe-exists/ 31674/

https://www.sciencenews.org/article/neutrino-particle-universe-matter-antimatter- mystery

อ่านเพิ่มเติม จักรวาล หรือ เอกภพ ของเรา มีต้นกำเนิด-เกิดขึ้นได้อย่างไร