นิวตริโนเป็นอนุภาคมูลฐานที่คล้ายกับอิเล็กตรอนมาก แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลน้อยมาก ซึ่งอาจจะเป็นศูนย์ด้วยซ้ำ ความเร็วของนิวตริโนก็ขึ้นอยู่กับมวลด้วย ความแตกต่างของเวลาที่มาถึงของอนุภาคและแสงคือ 0.0006% (± 0.0012%) ในปี 2011 ระหว่างการทดลอง OPERA พบว่าความเร็วของนิวตริโนสูงกว่าความเร็วแสง แต่ประสบการณ์อิสระไม่ได้ยืนยันสิ่งนี้
อนุภาคที่เข้าใจยาก
นี่เป็นหนึ่งในอนุภาคที่พบบ่อยที่สุดในจักรวาล เนื่องจากมันโต้ตอบกับสสารน้อยมาก จึงยากต่อการตรวจจับอย่างเหลือเชื่อ อิเล็กตรอนและนิวตริโนไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรง แต่มีส่วนร่วมอย่างเท่าเทียมกันในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอ อนุภาคที่มีคุณสมบัติเหล่านี้เรียกว่าเลปตอน นอกจากอิเล็กตรอน (และปฏิปักษ์ของมันคือโพซิตรอน) เลปตอนที่มีประจุยังรวมถึงมิวออน (มวลอิเล็กตรอน 200 ตัว) เอกภาพ (มวลอิเล็กตรอน 3,500 ตัว) และปฏิปักษ์ของพวกมัน พวกมันถูกเรียกว่า: อิเล็กตรอน-, มิวออน- และเทา-นิวทริโน พวกเขาแต่ละคนมีส่วนประกอบต่อต้านวัสดุที่เรียกว่าแอนตินิวตริโน
มูนและเทา เหมือนอิเล็กตรอน มีอนุภาคประกอบอยู่ด้วย เหล่านี้คือ muon และ tau neutrinos อนุภาคทั้งสามประเภทมีความแตกต่างกันตัวอย่างเช่น เมื่อมิวออนนิวตริโนมีปฏิสัมพันธ์กับเป้าหมาย พวกมันจะสร้างมิวออนเสมอ ไม่เคยเป็นเอกภาพหรืออิเล็กตรอน ในปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค แม้ว่าอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอน-นิวตริโนจะสามารถสร้างและทำลายได้ แต่ผลรวมของพวกมันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ข้อเท็จจริงนี้นำไปสู่การแบ่งเลปตอนออกเป็นสามประเภท โดยแต่ละชนิดมีเลปตอนที่มีประจุและนิวตริโนที่มาพร้อมกัน
เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่และไวมากจำเป็นสำหรับการตรวจจับอนุภาคนี้ โดยปกตินิวตริโนพลังงานต่ำจะเดินทางหลายปีแสงก่อนที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร ดังนั้น การทดลองภาคพื้นดินทั้งหมดกับพวกเขาจึงอาศัยการวัดเศษส่วนเล็ก ๆ ของพวกเขาซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับเครื่องบันทึกที่มีขนาดเหมาะสม ตัวอย่างเช่น ที่หอดูดาวซัดเบอรีนิวตริโนซึ่งมีน้ำหนัก 1,000 ตัน มีนิวตริโนสุริยะประมาณ 1,012 ดวงต่อวินาทีผ่านเครื่องตรวจจับ และพบเพียงวันละ 30 เท่านั้น
ประวัติการค้นพบ
Wolfgang Pauli ตั้งสมมติฐานการมีอยู่ของอนุภาคครั้งแรกในปี 1930 ปัญหาเกิดขึ้นในขณะนั้นเพราะดูเหมือนว่าพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมจะไม่ถูกอนุรักษ์ในการสลายตัวแบบเบตา แต่เปาลีตั้งข้อสังเกตว่าหากมีการปล่อยอนุภาคนิวตริโนเป็นกลางที่ไม่มีปฏิกิริยาออกมา กฎการอนุรักษ์พลังงานก็จะถูกปฏิบัติตาม นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เอนริโก แฟร์มี พัฒนาทฤษฎีการสลายบีตาในปี 1934 และตั้งชื่ออนุภาคให้ว่า
ทั้งๆ ที่คาดการณ์ไว้ทั้งหมด เป็นเวลา 20 ปีที่ไม่สามารถตรวจพบนิวตริโนในการทดลองได้ เนื่องจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอของนิวตริโนกับสสาร เนื่องจากอนุภาคไม่เป็นไฟฟ้าประจุจะไม่ได้รับผลกระทบจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่ก่อให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของสสาร นอกจากนี้พวกมันทำปฏิกิริยากับสสารผ่านปฏิกิริยาที่อ่อนแอของความแข็งแกร่งเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้นจึงเป็นอนุภาคย่อยที่เจาะทะลุได้มากที่สุด สามารถผ่านอะตอมจำนวนมากได้โดยไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาใดๆ อนุภาคเหล่านี้เพียง 1 ใน 10 พันล้าน ซึ่งเดินทางผ่านสสารในระยะทางเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก ทำปฏิกิริยากับโปรตอนหรือนิวตรอน
ในที่สุด ในปี 1956 กลุ่มนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันที่นำโดย Frederick Reines ได้ประกาศการค้นพบอิเล็กตรอน-แอนตินิวตริโน ในการทดลองของเธอ แอนตินิวตริโนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีปฏิสัมพันธ์กับโปรตอนเพื่อสร้างนิวตรอนและโพซิตรอน ลายเซ็นพลังงานที่เป็นเอกลักษณ์ (และหายาก) ของผลิตภัณฑ์พลอยได้ล่าสุดเหล่านี้เป็นหลักฐานสำหรับการมีอยู่ของอนุภาค
การค้นพบมิวออน เลปตอน กลายเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการระบุนิวตริโนชนิดที่สอง - มิวออนในภายหลัง การระบุตัวตนของพวกเขาดำเนินการในปี 2505 โดยอิงจากผลการทดลองในตัวเร่งอนุภาค มิวนิกนิวทริโนพลังงานสูงเกิดจากการสลายตัวของไพเมซอนและส่งไปยังเครื่องตรวจจับในลักษณะที่สามารถศึกษาปฏิกิริยาของพวกมันกับสสารได้ แม้ว่าพวกมันจะไม่ทำปฏิกิริยา เช่นเดียวกับอนุภาคประเภทอื่น ๆ เหล่านี้ แต่พบว่าในโอกาสที่หายากที่พวกมันทำปฏิกิริยากับโปรตอนหรือนิวตรอน มิวออน-นิวตริโนจะก่อตัวเป็นมิวออน แต่ไม่เคยมีอิเลคตรอน ในปี 1998 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Leon Lederman, Melvin Schwartz และ Jack Steinbergerได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการระบุมิวออน-นิวทริโน
ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ฟิสิกส์ของนิวทริโนถูกเติมเต็มด้วยเลปตอนชนิดอื่น - เทา เอกภาพ เอกภาพ และ เทา แอนตินิวทริโน ปรากฏว่ามีความเกี่ยวข้องกับเลปตันที่มีประจุที่สามนี้ ในปี 2543 นักฟิสิกส์จาก National Accelerator Laboratory Enrico Fermi รายงานหลักฐานการทดลองครั้งแรกสำหรับการมีอยู่ของอนุภาคประเภทนี้
มวล
นิวตริโนทุกประเภทมีมวลน้อยกว่านิวตริโนที่มีประจุมาก ตัวอย่างเช่น การทดลองแสดงให้เห็นว่ามวลอิเล็กตรอน-นิวตริโนต้องน้อยกว่า 0.002% ของมวลอิเล็กตรอน และผลรวมของมวลของทั้งสามสปีชีส์ต้องน้อยกว่า 0.48 eV หลายปีที่ผ่านมาดูเหมือนว่ามวลของอนุภาคจะเป็นศูนย์ แม้ว่าจะยังไม่มีหลักฐานทางทฤษฎีที่น่าเชื่อถือว่าทำไมจึงควรเป็นเช่นนั้น จากนั้นในปี 2545 หอสังเกตการณ์ Sudbury Neutrino ได้ให้หลักฐานโดยตรงครั้งแรกว่าอิเล็กตรอน-นิวตริโนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในประเภทการเปลี่ยนแปลงแกนกลางของดวงอาทิตย์ขณะเดินทางผ่าน "การสั่น" ของนิวตริโนดังกล่าวเป็นไปได้หากอนุภาคหนึ่งประเภทหรือมากกว่ามีมวลเล็กน้อย การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศของโลกยังบ่งชี้ว่ามีมวลอยู่ด้วย แต่ต้องทำการทดลองเพิ่มเติมเพื่อหาค่าที่แม่นยำยิ่งขึ้น
แหล่งที่มา
แหล่งธรรมชาติของนิวตริโนคือการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีในลำไส้ของโลกมีการปล่อยอิเล็กตรอน-แอนตินิวตริโนพลังงานต่ำจำนวนมาก ซุปเปอร์โนวายังเป็นปรากฏการณ์นิวตริโนอย่างเด่นชัด เนื่องจากมีเพียงอนุภาคเหล่านี้เท่านั้นที่สามารถทะลุผ่านวัสดุหนาแน่นยิ่งยวดที่เกิดขึ้นในดาวที่ยุบตัวได้ พลังงานเพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้นที่ถูกเปลี่ยนเป็นแสง การคำนวณแสดงให้เห็นว่าประมาณ 2% ของพลังงานของดวงอาทิตย์เป็นพลังงานของนิวตริโนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์ มีแนวโน้มว่าสสารมืดส่วนใหญ่ในจักรวาลประกอบด้วยนิวตริโนที่ผลิตขึ้นในช่วงบิกแบง
ปัญหาของฟิสิกส์
สาขาที่เกี่ยวข้องกับนิวตริโนและฟิสิกส์ดาราศาสตร์มีความหลากหลายและพัฒนาอย่างรวดเร็ว คำถามปัจจุบันที่ดึงดูดความพยายามในการทดลองและทฤษฎีจำนวนมากมีดังนี้:
- นิวตริโนต่าง ๆ มีมวลเท่าใด
- มันส่งผลต่อจักรวาลวิทยาของบิ๊กแบงอย่างไร
- มันสั่นไหม
- นิวตริโนประเภทหนึ่งสามารถแปลงเป็นอีกชนิดหนึ่งในขณะที่เดินทางผ่านสสารและอวกาศได้หรือไม่
- โดยพื้นฐานแล้วนิวตริโนแตกต่างจากปฏิปักษ์ของพวกมันหรือไม่
- ดาวยุบตัวและก่อตัวเป็นซุปเปอร์โนวาได้อย่างไร
- บทบาทของนิวตริโนในจักรวาลวิทยาคืออะไร
ปัญหาที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่มีมาช้านานคือปัญหาที่เรียกว่านิวตริโนสุริยะ ชื่อนี้หมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าในระหว่างการทดลองบนพื้นดินหลายครั้งในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา มีการสังเกตอนุภาคน้อยลงอย่างสม่ำเสมอเกินความจำเป็นในการผลิตพลังงานที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ หนึ่งในวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการสั่น กล่าวคือ การแปลงค่าอิเล็กทรอนิกส์นิวตริโนเป็นมิวออนหรือเอกภาพขณะเดินทางไปยังโลก เนื่องจากการวัดค่ามิวออนพลังงานต่ำหรือเทานิวทริโนนั้นยากกว่ามาก การเปลี่ยนแปลงแบบนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเราไม่สังเกตจำนวนอนุภาคที่ถูกต้องบนโลก
รางวัลโนเบลที่สี่
รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2558 มอบให้แก่ทาคาอากิ คาจิตะ และอาร์เธอร์ แมคโดนัลด์ จากการที่ค้นพบมวลนิวทริโน นี่เป็นรางวัลที่สี่ที่เกี่ยวข้องกับการวัดทดลองของอนุภาคเหล่านี้ บางคนอาจสงสัยว่าทำไมเราควรใส่ใจมากเกี่ยวกับบางสิ่งที่แทบจะไม่โต้ตอบกับเรื่องธรรมดาเลย
ความจริงที่ว่าเราสามารถตรวจจับอนุภาคชั่วคราวเหล่านี้เป็นข้อพิสูจน์ถึงความเฉลียวฉลาดของมนุษย์ เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัมมีความน่าจะเป็น เราจึงทราบดีว่าแม้ว่านิวตริโนเกือบทั้งหมดจะทะลุผ่านโลก แต่บางส่วนก็มีปฏิกิริยากับนิวตริโน เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่พอที่จะตรวจจับสิ่งนี้
อุปกรณ์ดังกล่าวเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในวัยหกสิบเศษในเหมืองในเซาท์ดาโคตา เหมืองเต็มไปด้วยน้ำยาทำความสะอาด 400,000 ลิตร โดยเฉลี่ยแล้ว อนุภาคนิวทริโนหนึ่งอนุภาคทุกวันทำปฏิกิริยากับอะตอมของคลอรีน และเปลี่ยนให้เป็นอาร์กอน ไม่น่าเชื่อว่า Raymond Davis ซึ่งรับผิดชอบเครื่องตรวจจับ ได้คิดค้นวิธีตรวจจับอะตอมอาร์กอนสองสามอะตอมนี้ และสี่ทศวรรษต่อมาในปี 2002 เขาได้รับรางวัลโนเบลสำหรับความสามารถทางเทคนิคอันน่าทึ่งนี้
ดาราศาสตร์ใหม่
เพราะว่านิวตริโนมีปฏิกิริยาน้อย พวกมันจึงสามารถเดินทางได้ไกลมาก พวกเขาให้โอกาสเราได้สำรวจสถานที่ต่างๆ ที่เราไม่เคยเห็นมาก่อน นิวทริโนที่เดวิสที่ค้นพบเกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นที่ใจกลางดวงอาทิตย์ และสามารถหลบหนีจากสถานที่ร้อนชื้นอย่างเหลือเชื่อนี้ได้เพียงเพราะพวกเขาแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องอื่นเลย เป็นไปได้ที่จะตรวจจับนิวตริโนที่บินจากใจกลางของดาวระเบิดที่อยู่ห่างไกลจากพื้นโลกกว่าแสนปีแสง
นอกจากนี้ อนุภาคเหล่านี้ยังทำให้สามารถสังเกตจักรวาลได้ในระดับที่เล็กมาก ซึ่งเล็กกว่าที่ Large Hadron Collider ในเจนีวา ซึ่งค้นพบ Higgs boson มาก ด้วยเหตุนี้คณะกรรมการโนเบลจึงตัดสินใจมอบรางวัลโนเบลสำหรับการค้นพบนิวตริโนอีกประเภทหนึ่ง
หายตัวไปอย่างลึกลับ
เมื่อ Ray Davis สังเกตเห็นนิวตริโนสุริยะ เขาพบเพียงหนึ่งในสามของจำนวนที่คาดไว้ นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่าสาเหตุของเรื่องนี้คือความรู้ที่ไม่ดีเกี่ยวกับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของดวงอาทิตย์: บางทีแบบจำลองภายในของดาวฤกษ์อาจประเมินจำนวนนิวตริโนที่สร้างขึ้นมากเกินไป ตลอดหลายปีที่ผ่านมา แม้ว่าแบบจำลองพลังงานแสงอาทิตย์จะดีขึ้น แต่ปัญหาการขาดแคลนยังคงมีอยู่ นักฟิสิกส์ดึงความสนใจไปที่ความเป็นไปได้อื่น: ปัญหาอาจเกี่ยวข้องกับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอนุภาคเหล่านี้ ตามทฤษฎีที่แพร่หลายในขณะนั้น พวกเขาไม่มีมวล แต่นักฟิสิกส์บางคนแย้งว่าจริง ๆ แล้วอนุภาคมีขนาดเล็กที่สุดมวล และมวลนี้คือสาเหตุของการขาดแคลน
อนุภาคสามหน้า
ตามทฤษฎีการสั่นของนิวตริโน ธรรมชาติมีนิวตริโนสามประเภทที่แตกต่างกัน หากอนุภาคมีมวล เมื่อมันเคลื่อนที่ มันก็จะสามารถเปลี่ยนจากประเภทหนึ่งไปอีกประเภทหนึ่งได้ สามประเภท - อิเล็กตรอน มิวออน และเอกภาพ - เมื่อทำปฏิกิริยากับสสารสามารถเปลี่ยนเป็นอนุภาคที่มีประจุที่สอดคล้องกันได้ (อิเล็กตรอน มิวออน หรือ เทา เลปตัน) "การสั่น" เกิดขึ้นเนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัม ชนิดของนิวตริโนไม่คงที่ มันเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา นิวตริโนซึ่งเริ่มดำรงอยู่เป็นอิเล็กตรอนสามารถกลายเป็นมิวออนแล้วย้อนกลับได้ ดังนั้น อนุภาคที่ก่อตัวขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ระหว่างทางมายังโลก สามารถเปลี่ยนเป็นมิวออน-นิวตริโนได้เป็นระยะๆ และในทางกลับกัน เนื่องจากเครื่องตรวจจับ Davis สามารถตรวจจับได้เฉพาะนิวตริโนอิเล็กตรอนที่สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนรูปนิวเคลียสของคลอรีนเป็นอาร์กอน ดูเหมือนว่าเป็นไปได้ที่นิวตริโนที่หายไปจะกลายเป็นชนิดอื่น (ตามที่ปรากฎ นิวตริโนสั่นในดวงอาทิตย์ ไม่ใช่มายังโลก)
การทดลองในแคนาดา
วิธีเดียวที่จะทดสอบสิ่งนี้คือสร้างเครื่องตรวจจับที่ใช้ได้กับนิวตริโนทั้งสามประเภท ตั้งแต่ปี 1990 อาร์เธอร์ แมคโดนัลด์ แห่งมหาวิทยาลัยออนแทรีโอของควีนส์ได้เป็นผู้นำทีมที่ทำสิ่งนี้ในเหมืองในเมืองซัดเบอรี รัฐออนแทรีโอ สิ่งอำนวยความสะดวกดังกล่าวมีปริมาณน้ำที่ยืมมาจากรัฐบาลแคนาดาเป็นจำนวนมาก น้ำหนักเป็นน้ำที่หายาก แต่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งมีไฮโดรเจนซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวแทนที่ด้วยไอโซโทปดิวเทอเรียมที่หนักกว่าซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน รัฐบาลแคนาดากักตุนน้ำหนักไว้เพราะใช้เป็นสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นิวตริโนทั้งสามประเภทสามารถทำลายดิวเทอเรียมเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอน จากนั้นนับนิวตรอน เครื่องตรวจจับลงทะเบียนประมาณสามเท่าของจำนวนอนุภาคเมื่อเทียบกับเดวิส - เป็นจำนวนที่คาดการณ์โดยแบบจำลองที่ดีที่สุดของดวงอาทิตย์ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอน-นิวตริโนสามารถแกว่งไปแกว่งมาในรูปแบบอื่นได้
การทดลองภาษาญี่ปุ่น
ในช่วงเวลาเดียวกัน Takaaki Kajita จากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้ทำการทดลองอันน่าทึ่งอีกอย่างหนึ่ง เครื่องตรวจจับที่ติดตั้งในเหมืองในญี่ปุ่นลงทะเบียนนิวทริโนไม่ได้มาจากลำไส้ของดวงอาทิตย์ แต่มาจากบรรยากาศชั้นบน เมื่อโปรตอนรังสีคอสมิกชนกับชั้นบรรยากาศ จะเกิดอนุภาคอื่นๆ ขึ้น รวมทั้งมิวออนนิวทริโน ในเหมือง พวกเขาเปลี่ยนนิวเคลียสของไฮโดรเจนให้เป็นมิวออน เครื่องตรวจจับ Kajita สามารถเห็นอนุภาคที่มาในสองทิศทาง บ้างตกจากข้างบน มาจากชั้นบรรยากาศ บ้างก็เคลื่อนตัวจากเบื้องล่าง จำนวนอนุภาคต่างกัน ซึ่งบ่งบอกถึงลักษณะที่แตกต่างกัน - พวกมันอยู่ที่จุดต่าง ๆ ของวัฏจักรการแกว่ง
การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์
ทั้งแปลกและน่าทึ่ง แต่ทำไมการสั่นและมวลนิวตริโนจึงดึงดูดความสนใจอย่างมาก? เหตุผลง่ายๆ ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคที่พัฒนาขึ้นในช่วงห้าสิบปีสุดท้ายของศตวรรษที่ยี่สิบซึ่งอธิบายข้อสังเกตอื่นๆ ทั้งหมดในเครื่องเร่งอนุภาคและการทดลองอื่นๆ อย่างถูกต้อง นิวตริโนควรจะไม่มีมวล การค้นพบมวลนิวทริโนแสดงให้เห็นว่ามีบางอย่างขาดหายไป รุ่นมาตรฐานยังไม่สมบูรณ์ ชิ้นส่วนที่หายไปนั้นยังไม่ถูกค้นพบ ไม่ว่าจะโดยเครื่อง Large Hadron Collider หรือเครื่องอื่นที่ยังไม่ได้สร้าง
