นิวทริโน

นิวทริโน (, ใช้สัญลักษณ์ ) เป็นอนุภาคเฟอร์มิออน (อนุภาคมูลฐานที่มีเลขสปิน ) ที่มีอันตรกิริยาผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนและแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ชื่อของนิวทริโนนั้นมาจากความเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีมวลน้อยมากซึ่งเคยถูกเชื่ออยู่นานว่ามีมวลเป็นศูนย์ ถ้าไม่รวมอนุภาคไม่มีมวล นิวทริโนถือว่ามีมวลนิ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น
เนื่องจากอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นมีระยะที่ส่งผลของแรงสั้นมากและความโน้มถ่วงก็มีค่าที่น้อยมากเนื่องจากมวลที่เล็กน้อยของนิวทริโน อีกทั้งนิวทริโนยังไม่สามารถสัมผัสได้ถึงอันตรกิริยาอย่างเข้ม ดังนั้นนิวทริโนจึงเคลื่อนที่ทะลุผ่านสสารทุกชนิดโดยที่ไม่สามารถถูกตรวจจับได้

นิวทริโนทั้งสามเฟลเวอร์ถูกสร้างขึ้นมาจากอันตรกิริยาอย่างอ่อน ประกอบด้วย นิวทริโนอิเล็กตรอน () นิวทริโนมิวออน () และนิวทริโนเทา () 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  และไม่มีประจุไฟฟ้า ปฏินิวทริโนแตกต่างจากนิวทริโนตรงที่มีเครื่องหมายของตัวเลขเลปตอนและ Weak isospin ตรงข้ามกัน และมีไคแรลลิตี (Chirality) ถนัดขวา เพื่อที่จะอนุรักษ์ตัวเลขเลปตอนรวม (ในการสลายตัวให้อนุภาคบีตา) นิวทริโนอิเล็กตรอนจะต้องมีโพซิตรอนหรือปฏิอนุภาคของนิวทริโนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นมาพร้อมกัน ในทางตรงกันข้ามปฏินิวทริโนอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นมาพร้อมกับอิเล็กตรอนหรือนิวทริโนอิเล็กตรอนเท่านั้น

นิวทริโนสามารถถูกสร้างขึ้นมาได้จากหลายกระบวนการการสลายตัว รายการต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของการสร้างนิวทริโน
 การสลายให้อนุภาคบีตาของนิวเคลียสหรือแฮดรอน
 ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธรรมชาติ เช่น ปฏิกิริยาที่ใจกลางดาวฤกษ์
 ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประดิษฐ์ในเตาปฏิกรณ์ ระเบิดปรมาณู หรือเครื่องเร่งอนุภาค
 ในช่วงการเกิดมหานวดารา (Supernova)
 ในช่วงที่ดาวนิวตรอนหมุนช้าลง
 รังสีคอสมิกหรืออนุภาคที่ถูกเร่งชนเข้ากับอะตอม
นิวทริโนที่ถูกตรวจจับได้บนโลกส่วนใหญ่มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์ ใน 1 วินาทีจะมีนิวทริโนสุริยะจำนวน 65 พันล้านตัว (6.5×1010) ตกกระทบพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร นิวทริโนสามารถถูกใช้ในการกราดภาพตัดขวางเพื่อสำรวจภายในของโลกได้

ประวัติ

ข้อเสนอของเพาลี

นิวทริโน ถูกตั้งสมมติฐานครั้งแรกโดย โวล์ฟกัง  เพาลี (Wolfgang Pauli) ในปี 1930 เพื่ออธิบายว่าในการสลายให้อนุภาคบีตา พลังงาน โมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมสปินควรจะเป็นตามกฎการอนุรักษ์ ในทางตรงกันข้ามกับนีลส์ บอร์ผู้เสนอฟิสิกส์ของกฎการอนุรักษ์ในเชิงสถิติเพื่อที่จะอธิบายสเปกตรัมของพลังงานที่ต่อเนื่องในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตา เพาลีตั้งสมมติฐานถึงอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจพบได้และเรียกมันว่า "นิวตรอน" เพาลีใช้คำลงท้าย -ออน เพื่อให้เหมือนกับโปรตอนและอิเล็กตรอน เพาลีมองว่าอนุภาคตัวใหม่นี้ถูกปลดปล่อยออกมาจากนิวเคลียสพร้อมกันกับอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตาและมีมวลใกล้เคียงกับอิเล็กตรอน

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.1934 ได้ผนวกทฤษฎีนิวทริโนของเพาลี ทฤษฎีโพซิตรอนของดิแรกและแบบจำลองนิวตรอน-โปรตอนของไฮเซนแบร์คเข้าด้วยกันแล้วให้พื้นฐานทางทฤษฎีที่แข็งแกร่งเพื่อใช้สำหรับการทดลอง วารสาร Nature ได้ปฏิเสธงานวิจัยของแฟร์มีพร้อมบอกว่าทฤษฎีนี้อยู่ห่างไกลจากความเป็นจริงเกินไป แฟร์มีจึงได้เปลี่ยนมาส่งตีพิมพ์ในวารสารในอิตาลีแทนซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในเวลาต่อมา แต่ว่าทฤษฎีนี้ไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควรจึงทำให้แฟร์มีให้ไปให้ความสนใจในฟิสิกส์เชิงการทดลองแทน

ในปี ค.ศ.1934 มีการหลักฐานจากการทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดของบอร์ที่ว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานใช้งานไม่ได้สำหรับการสลายตัวให้อนุภาคบีตา ในงานประชุมวิชาการโซลเวย์ในปีนั้น ได้มีการนำเสนอการวัดค่าสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอน) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสเปกตรัมพลังงานมีการกระจายที่ต่อเนื่องและมีค่าสูงสุดค่าหนึ่ง ถ้ากฎอนุรักษ์พลังงานถูกต้องสเปกตรัมพลังงานจะไม่เป็นไปตามที่วัดค่าได้ แต่ในความเป็นจริงมันได้มีอนุภาคตัวหนึ่งพาพลังงานบางส่วนลับหายไป และถูกเรียกว่านิวทริโน

การตรวจจับโดยตรง

ในปี 1942 Wang Ganchang เป็นคนแรกที่เสนอให้ใช้การจับยึดอิเล็กตรอนในการตรวจวัดนิวทริโน  ไคลด์ โคแวน, เฟรเดอริก เรเนส, Francis B. "Kiko" Harrison Herald, W. Kruse และ Austin D. McGuire ได้ตีพิมพ์การยืนยันว่าพวกเขาได้ตรวจจับนิวทริโนได้สำเร็จลงในวารสารวิทยาศาสตร์ฉบับวันที่ 20 กรกฎาคม 1956 ผลงานนี้ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลใน 40 ปีต่อมา

การทดลองนี้ในปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อการทดลองของโคแวน-เรเนส ปฏินิวทริโนที่ถูกสร้างในเตาปฏิกรณ์ด้วยกระบวนการการสลายให้อนุภาคบีตาทำปฏิกิริยากับโปรตอนแล้วให้นิวตรอนและโพซิตรอน ดังสมการ

โพซิตรอนเมื่อเจอกับอิเล็กตรอนจะเกิดการประลัยแล้วให้รังสีแกมมาซึ่งสามารถถูกตรวจจับได้ ส่วนนิวตรอนสามารถถูกตรวจวัดได้จากกระบวนการจับยึดนิวตรอนซึึ่งปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมาให้ตรวจจับได้ ทั้งการประลัยโพซิตรอนและการจับยึดนิวตรอนที่เกิดขึ้นพร้อมกันนี้ให้สัญญาณว่ามีปฏินิวทริโนอยู่จริง

ในเดือนกุมภาพันธ์ปี 1965 นิวทริโนตัวแรกในธรรมชาติได้ถูกค้นพบในห้องที่ถูกเตรียมการไว้อย่างดีลึกจากผิวดิน 3 กิโลเมตรในเหมืองแร่ใกล้กับบอกสเบิร์กประเทศแอฟริกาใต้

เฟลเวอร์นิวทริโน
ปฏินิวทริโนที่ถูกค้นพบโดยโคแวนและเรเนสเป็นปฏิอนุภาคของนิวทริโนอิเล็กตรอน

ในปี ค.ศ.1962 ลีออน เลเดอร์แมน (Leon M. Lederman) เมลวิน ชวาร์ตซ์ (Melvin Schwartz) แจ็ค สไตน์เบอร์เกอร์ (Jack Steinberger) ได้แสดงให้เห็นว่าได้มีนิวทริโนอีกชนิดหนึ่งเรียกว่านิวทริโนมิวออน ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1988

เมื่ออนุภาคเทา เลปตอนรุ่นที่สามถูกค้นพบในปี ค.ศ.1975 ที่ศูนย์เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด (Stanford Linear Accelerator Center) เทาถูกทำนายว่าจะต้องมีความเกี่ยวข้องกับนิวทริโน (นิวทริโนเทา) หลักฐานชิ้นแรกสำหรับนิวทริโนรุ่นที่สามมาจากการสังเกตพลังงานและโมเมนตัมที่หายไปในกระบวนการสลายให้เทาซึ่งคล้ายกับการสลายตัวให้อนุภาคบีตาที่นำไปสู่การค้นพบนิวทริโนอิเล็กตรอน การตรวจเจอนิวทริโนเทาถูกประกาศครั้งแรกในปี ค.ศ.2000 โดย DONUT collaboration ที่แล็บเฟอร์มี และการมีอยู่ของนิวทริโนเทาได้รับการอ้างอิงทั้งในทางทฤษฎีและการทดลองโดย Large Electron-Positron Collider

ปัญหานิวทริโนสุริยะ
ในปี ค.ศ.1960 การทดลองใหม่ที่มีชื่อเสียงรู้จักกันในชื่อการทดลองโฮมสเตค (Homestake experiment) ได้ทำการวัดฟลักซ์ของนิวทริโนอิเล็กตรอนที่มาจากแก่นกลางของดวงอาทิตย์ได้เป็นครั้งแรกและพบว่าค่าที่วัดได้มีค่าเพียงหนึ่งในสามของค่าที่ทำนายจากแบบจำลองสุริยะมาตรฐาน (Standard Solar Model) ค่าความคลาดเคลื่อนนี้เรียกว่าปัญหานิวทริโนสุริยะ ปัญหานี้ไม่ได้รับการค้นหาคำตอบเป็นเวลากว่าสามสิบปี ในท้ายที่สุด ปริมาณฟลักซ์ของนิวทริโนที่มาจากแก่นกลางดวงอาทิตย์และที่วัดได้ในการทดลองได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง หมายความว่าความคลาดเคลื่อนนี้ตัวนิวทริโนอาจจะมีฟิสิกส์ที่ซับซ้อนมากกว่าที่เคยรู้จัก มีการตั้งสมมติฐานว่านิวทริโนทั้งสามรุ่นมีมวลไม่เป็นศูนย์ มีค่ามวลต่างกันและสามารถกวัดแกว่งไปมาระหว่างเฟลเวอร์ขณะที่นิวทริโนเคลื่อนที่มายังโลก ภายใต้สมมติฐานใหม่นี้ จึงต้องมีการคิดรูปแบบการทดลองออกมาใหม่ ถือเป็นการเปิดประตูสู่การวิจัยในสาขาใหม่และยังคงดำเนินการเรื่อยมาจนทุกวันนี้ คำอธิบายปรากฏการณ์นี้นำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ถึงสองครั้งในที่สุด รางวัลแรกมอบให้กับเรย์มอนด์ เดวิส (Raymond Davis) ผู้นำในการทดลองโฮมสเตคและมาซาโตชิ โคชิบะ (Masatoshi Koshiba) แห่งคามิโอคันเดะผู้ที่ทดลองเพื่อยืนยันในสมมติฐาน และอีกหนึ่งรางวัลมอบให้กับทาคาอากิ คาจิตะ (Takaaki Kajita) แห่งซูเปอร์คามิโอคันเดะและอาเธอร์ แมคโดนัลด์ (Arthur B. McDonald) แห่งหอสังเกตการณ์นิวทริโนซัดเบอรี (Sudbury Neutrino Observatory) ที่ยืนยันการมีอยู่ของนิวทริโนทั้งสามเฟลเวอร์

หมายเหตุ

อ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น 
 NEUTRINO UNBOUND: On-line review and e-archive on Neutrino Physics and Astrophysics 
 Nova: The Ghost Particle: Documentary on US public television from WGBH

สสารมืด
ฟิสิกส์อนุภาค