นิวทริโน

นิวทริโน (อังกฤษ: Neutrino, ใช้สัญลักษณ์ 𝜈) เป็นอนุภาคเฟอร์มิออน (อนุภาคมูลฐานที่มีเลขสปิน 1 2) ที่มีอันตรกิริยาผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนและแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ชื่อของนิวทริโนนั้นมาจากความเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีมวลน้อยมากซึ่งเคยถูกเชื่ออยู่นานว่ามีมวลเป็นศูนย์ ถ้าไม่รวมอนุภาคไม่มีมวล นิวทริโนถือว่ามีมวลนิ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เนื่องจากอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นมีระยะที่ส่งผลของแรงสั้นมากและความโน้มถ่วงก็มีค่าที่น้อยมากเนื่องจากมวลที่เล็กน้อยของนิวทริโน อีกทั้งนิวทริโนยังไม่สามารถสัมผัสได้ถึงอันตรกิริยาอย่างเข้ม ดังนั้นนิวทริโนจึงเคลื่อนที่ทะลุผ่านสสารทุกชนิดโดยที่ไม่สามารถถูกตรวจจับได้ นิวทริโนทั้งสามเฟลเวอร์ถูกสร้างขึ้นมาจากอันตรกิริยาอย่างอ่อน ประกอบด้วย นิวทริโนอิเล็กตรอน (𝜈𝑒) นิวทริโนมิวออน (𝜈𝜇) และนิวทริโนเทา (𝜈𝜏) แต่ละเฟลเวอร์จะมีค่าประจุเลปตอนเฉพาะของตัวเอง ถึงแม้ว่านิวทริโนจะถูกเชื่ออย่างนมนานว่าเป็นอนุภาคไม่มีมวล แต่ในปัจจุบันทราบแล้วว่าทั้งสามเฟลเวอร์มีมวลที่แตกต่างกัน (นิวทริโนชนิดที่มีมวลน้อยที่สุดสามารถมีค่าเป็นศูนย์ได้ ) แต่ว่าค่ามวลทั้งสามไม่ได้สอดคล้องแบบเจาะจงกับทั้งสามเฟลเวอร์ กล่าวคือสถานะเฟลเวอร์หนึ่งของนิวทริโนที่ถูกสร้างจากอันตรกิริยาแบบอ่อนเป็นการผสมรวมกันของสถานะมวลของนิวทริโนทั้งสามชนิด (การซ้อนทับเชิงควอนตัม) นิวทริโนสามารถกวัดแกว่ง (Oscillate) ไปมาระหว่างเฟลเวอร์ได้เมื่อมีการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น นิวทริโนอิเล็กตรอนที่ถูกสร้างจากการสลายให้อนุภาคบีตาเมื่อเคลื่อนที่มายังเครื่องตรวจจับ ตัวเครื่องอาจจะจับได้เป็นนิวทริโนมิวออนหรือนิวทริโนเทาก็ได้ ในปัจจุบันถึงปี ค.ศ.2022 ยังไม่มีการทราบค่ามวลทั้งสามของนิวทริโน แต่การทดลองในห้องปฏิบัติการณ์และการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ได้ให้คำตอบของค่ามวลสูงสุดที่เป็นไปได้ของนิวทริโนอิเล็กตรอน และผลรวมของมวลทั้งสามเฟลเวอร์ (< 2.14×10-37 กิโลกรัม) แต่ละเฟลเวอร์ของนิวทริโนจะมีปฏิอนุภาคของตัวเอง เรียกว่าปฏินิวทริโน (Antineutrino) ซึ่งมีค่าสปิน 1 2 และไม่มีประจุไฟฟ้า ปฏินิวทริโนแตกต่างจากนิวทริโนตรงที่มีเครื่องหมายของตัวเลขเลปตอนและ Weak isospin ตรงข้ามกัน และมีไคแรลลิตี (Chirality) ถนัดขวา เพื่อที่จะอนุรักษ์ตัวเลขเลปตอนรวม (ในการสลายตัวให้อนุภาคบีตา) นิวทริโนอิเล็กตรอนจะต้องมีโพซิตรอนหรือปฏิอนุภาคของนิวทริโนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นมาพร้อมกัน ในทางตรงกันข้ามปฏินิวทริโนอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นมาพร้อมกับอิเล็กตรอนหรือนิวทริโนอิเล็กตรอนเท่านั้น นิวทริโนสามารถถูกสร้างขึ้นมาได้จากหลายกระบวนการการสลายตัว รายการต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของการสร้างนิวทริโน นิวทริโนที่ถูกตรวจจับได้บนโลกส่วนใหญ่มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์ ใน 1 วินาทีจะมีนิวทริโนสุริยะจำนวน 65 พันล้านตัว (6.5×1010) ตกกระทบพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร นิวทริโนสามารถถูกใช้ในการกราดภาพตัดขวางเพื่อสำรวจภายในของโลกได้ นิวทริโน[a] ถูกตั้งสมมติฐานครั้งแรกโดย โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) ในปี 1930 เพื่ออธิบายว่าในการสลายให้อนุภาคบีตา พลังงาน โมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมสปินควรจะเป็นตามกฎการอนุรักษ์ ในทางตรงกันข้ามกับนีลส์ บอร์ผู้เสนอฟิสิกส์ของกฎการอนุรักษ์ในเชิงสถิติเพื่อที่จะอธิบายสเปกตรัมของพลังงานที่ต่อเนื่องในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตา เพาลีตั้งสมมติฐานถึงอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจพบได้และเรียกมันว่า "นิวตรอน" เพาลีใช้คำลงท้าย -ออน เพื่อให้เหมือนกับโปรตอนและอิเล็กตรอน เพาลีมองว่าอนุภาคตัวใหม่นี้ถูกปลดปล่อยออกมาจากนิวเคลียสพร้อมกันกับอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตาและมีมวลใกล้เคียงกับอิเล็กตรอน[b] เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ได้ค้นพบอนุภาคในนิวเคลียสและตั้งชื่อมันว่านิวตรอนในปี ค.ศ.1932 ซึ่งในตอนนั้นยังนิวทริโนยังใช้ชื่อว่านิวตรอนอยู่ คำว่า"นิวทริโน" ปรากฎขึ้นมาในคำศัพท์วิทยาศาสตร์โดยเอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ในงานประชุมวิชาการที่ปารีสในเดือนกรกฎาคมปี ค.ศ.1932 และที่งานประชุมวิชาการโซลเวย์ในเดือนตุลาคมปี ค.ศ.1933 ซึ่งเพาลีก็เห็นด้วยกับชื่อนี้ ชื่อนิวทริโนซึ่งเป็นภาษาอิตาลีแปลว่า เป็นกลางขนาดเล็ก ๆ ได้ถูกตั้งขึ้นมาอย่างติดตลกโดยเอโดอาร์โด อมาลดี (Edoardo Amaldi) ในขณะที่เขาพูดคุยกับแฟร์มีที่สถาบันฟิสิกส์ปานิสเปอร์นา (Institute of Physics of via Panisperna) เพื่อให้ชื่อต่างจากอนุภาคมวลหนักที่แชดวิกค้นพบ ในทฤษฎีการสลายตัวให้อนุภาคบีตาของแฟร์มี นิวตรอนสามารถสลายตัวให้โปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคมวลเบาที่เป็นกลาง (ปัจจุบันเรียกว่านิวทริโนอิเล็กตรอน) งานวิจัยของแฟร์มีในปี ค.ศ