ขณะที่ผู้อ่านกำลังอ่านบทความนี้ ในทุกวินาทีบนทุกพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตรของหน้าหนังสือมีนิวตริโนหลายล้านล้านตัวกำลังพุ่งผ่านในห้วงเวลาเดียวกัน ในตัวของผู้อ่านเองก็กำลังผลิตนิวตริโนวินาทีละกว่า 5,000 ตัว แต่เนื่องจากนิวตริโนเป็นอนุภาคขนาดเล็กมากและมีอันตรกิริยากับสสารแทบทุกสิ่งบนโลกนี้น้อยมากเราจึงไม่สามารถสังเกตหรือรับรู้ถึงการมีอยู่ของนิวตริโนได้

รูปที่ 1 ศาจิตะ (ข้าย) และ แมคใดนัลด์ (ขวา) สองนักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2015 จากผลงานการค้นพบว่า
นิวตรีโนสามารถเปลี่ยนชนิดได้ ซึ่งเป็นสมบัติของนิวตรีโนที่เรียกว่า Neutrino oscillation (ภาพบนโดย Bengt Nyman)

            รางวัลโนเบลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 2015ได้ยกย่องผลงาน "การค้นพบว่า นิวตริโนสามารถเปลี่ยนชนิดได้ ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่า นิวตริโนมีมวล" ของสองที่มวิจัยที่นำโดย ทากะอะกิ คาจิตะ (Takaaki Kajita) และอาเธอร์ แมคโตนัลด์ (Arthur B. McDonald)

            นิวตริในคืออะไร มีความสำคัญอย่างไรกับวงการฟิสิกส์จึงส่งผลให้นักฟิสิกส์ทั้ง 2 ท่านได้รับรางวัลโนเบล และที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือ ความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับนิวตรีในมีผลกระทบอย่างไรกับชีวิตคนทั่วไป บทความนี้จะให้คำตอบของคำถามข้างต้นโดยย่อ พร้อมประวัติความเป็นมาของการค้นพบนิวตริโนและการทดลองที่นำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2015

ประวัติการคันพบนิวตริโน

            ในปี ค.ศ. 1914 เจมส์ แซดวิก (James Chadwick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการสลายของธาตุกัมมันตรังสีและได้พบว่าในกระบวนการสลายแบบให้อนุภาคบีตา (Beta decay) มีพลังงานส่วนหนึ่งหายไปซึ่งไม่สอดคล้องกันกับกฎการอนุรักษ์โมเมนต้ม และกฎการอนุรักษ์พลังงาน จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1930 โวล์พกัง เพาลี (Wolfgang Paul) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียได้เสนอว่า พลังงานส่วนที่หายไปนั้น เนื่องจากมีอนุภาคชนิดใหม่นำพลังงานส่วนนี้ไป อนุภาคดังกล่าวไม่มีประจุและมีมวลน้อยมาก ซึ่งสมมติฐานของเพาลีได้รับการสนับสนุนเป็นอย่างดีจาก เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ซาวอิตาเลียน โดยแฟร์มีเรียกชื่ออนุภาคชนิดใหม่ที่เพาลีเสนอว่า "นิวตริโน" (Neutrino) ซึ่งในภาษาอิตาลีแปลว่า "ตัวเล็กที่เป็นกลาง" เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ V และเรียกปฏิยานุภาคของนิวตริโนว่า"แอนตินิวตริโน" (Antineutrino) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์แต่การตรวจวัดเพื่อยืนยันว่านิวตริโนมีอยู่จริงเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะนิวตริโนแทบไม่มีอันตรกิริยา (Interaction) กับสสารเกือบทุกชนิด ข้อเสนอของเพาลี จึงยังเป็นเพียงข้อเสนอที่ไม่มีการพิสูจน์เป็นระยะเวลากว่า 30 ปี

            จนถึงปี ค.ศ 1956 คณะนักฟิสิกส์สัญชาติอเมริกันนำโดย ไคลด์ โควาน (Cyde Cowan) และ เฟ้เดอริก ไรนส์ (Frederick  Reines) ได้ตรวจพบแอนตินิวตริโนเป็นครั้งแรกจากการทดลองที่ออกแบบสุดพิเศษ โดยใช้ถังบรรจุน้ำขนาดยักษ์ไปติดตั้งไว้ใกล้ ๆ กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่รัฐเซาห์แคร่ไลนา ประเทศสหรัฐอเมริกา การค้นพบแอนตินิวตรีในส่งผลให้ไรนส์ ได้รับรางวัลนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1995 ในขณะที่โควานได้เสียชีวิตไปแล้วจึงไม่มีสิทธิรับรางวัลแอนตินิวตริโนที่โควานและไรนส์ค้นพบ เป็น "ปฏิยานุภาคของนิวตริโนอิเล็กตรอน" ส่วนนิวตริโนอีก 2 ชนิด ได้แก่ "นิวตริโนมิวออน" และ "นิวตริโนทาว"  ได้รับการค้นพบในปี ค.ศ. 1962 จากการทดลองที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน (Brookhaven National Laboratory) ประเทศสหร้ฐอเมริกา และ ในปี ค.ศ. 2000 จากการทดลอง DONUT (Direct Observation of the NU Tau) ที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติแฟร์มี (Fermi National Accelerator Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกาตามลำดับ

การคันพบว่า นิวตริโนเปลี่ยนชนิดได้

            ในปี ค.ศ. 1996 ที่จังหวัดคามิโอกะ ประเทศญี่ปุ่นทีมนักวิจัยที่นำโดย คาจิตะ ได้เริ่มดำเนินการตรวจวัดนิวตริโน ที่มาจากชั้นบรรยากาศด้วยเครื่องตรวจวัด Super-K หรือ Super-KamiokaNDE (ย่อมาจาก Super-Kamioka Nucleon Decay Experiment) ซึ่งมีส่วนประกอบหลักคือ ถังน้ำขนาดใหญ่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 39 เมตร สูง 42 เมตร ติดตั้งไว้ใต้พื้นดินลึกกว่า 1 กิโลเมตร ภายในถังบรรจุด้วยน้ำบริสุทธิ์เป็นพิเศษ (ultra-pure water) ปริมาณกว่า 50,000 ตัน และที่รอบ 1 ผนังด้านในมีการติดตั้งตัวตรวจวัดแสงกว่า 11.000 ตัว สำหรับตรวจวัดสัญญาณที่บ่งบอกถึงอันตรกิริยาระหว่างอะตอมของน้ำกับนิวตริโนที่เกิดขึ้นเมื่อนิวตรีโนผ่านเข้ามาในถังน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ลักษณะภายในของเครื่องตรวจวัดอนุาคนิวตร์โนซุปเปร์คามีโอคานเตะ (Super-Kamiokande)
ที่จังหวัดคามีใอกะ เมืองฮิตะ ประเทศญี่ปุ่น (ที่มา: http://(2k-experiment.ong และ htp:/w-sk.icm.u-tokyo.ac.jp)

            นิวตริโนที่ Super-K ตรวจวัดได้เป็นนิวตริโนมิวออนที่มาจากชั้นบรรยากาศ ซึ่งสามารถเดินทางมาถึง Super-K ได้จากทุกทิศทางไม่ว่าจะมาจากชั้นบรรยากาศในบริเวณใกล้เคียง หรือจากซีกโลกอีกด้านหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 Super-Kamiokande ตรวจวัดนิวตริโนที่มาจากชั้นบรรยากาศ ทั้งที่มาจากขั้นบรรยากาศโดยตรงบริเวณเหนือเครื่องตรวจวัด
และที่มาจากอีกด้านหนึ่งของโลกนิวตริโนจะทำอันตรกิริยากับน้ำในถังของ Super-K ทำให้เกิดสัญญาณที่ตรวจวัดได้

            จากการตรวจวัดและบันทึกข้อมูลเป็นระยะเวลากว่า 2 ปี ทีมนักวิจัยของคาจิตะได้พบว่า นิวตรีโนมิวออนที่มาจากชั้นบรรยากาศบริเวณด้านบนเหนือ Super-K มีจำนวนมากกว่า นิวตริโนมิวออนที่เดินทางผ่านโลกมาจากอีกทิศทางหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วจำนวนนิวตรีโนมิวออนจากทั้งสองทิศทาง ควรมีจำนวนเท่ากันเพราะนิวตริโนมีอันตรกิริยาทำกับสสารใด ๆ บนโลกนี้น้อยมาก จึงไม่มีสาเหตุใดที่ทำให้จำนวนนิวตรีโนมิวออนที่เดินทางผ่านโลกมาถึง Super-K มีจำนวนลดลง ผลการตรวจวัดดังกล่าว จึงสอดคล้องกับสมมติฐานที่กล่าวว่า นิวตรีโนมิวออนมีการเปลี่ยนชนิดเป็นนิวตริโนชนิดอื่น เมื่อเดินทางจากอีกด้านหนึ่งของโลกมาถึงเครื่องตรวจวัด Super-K

            ข้อมูลจากการตรวจวัดนิวตริในของคาจิตะและสมมติฐานของการเปลี่ยนชนิดนิวตริโนได้รับการสนับสนุนโดยผลการทดลองของทีมนักวิจัยที่นำโดย แมคโดนัลด์ ในปี ค.ศ. 2001 โดยทีมวิจัยของแมคโตนัลด์ได้เริ่มดำเนินการตรวจวัดนิวตริโนอิเล็กตรอนที่เดินทางมาจากดวงอาทิตย์ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1999 ด้วย SNO หรือ Sudbury Neutrino Obsenvatory ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งเป็นเครื่องตรวจวัดนิวตรีโนที่ติดตั้งอยู่ใต้พื้นดินลึกกว่า 2 กิโลเมตร ที่รัฐออนแทรีโอประเทศแคนาดา โดย SNO มีส่วนประกอบหลักคล้ายกับ

            Super-K คือ ถังน้ำขนาดใหญ่ที่ภายในผนังด้านในมืการติดตั้งตัวตรวจวัดแสงกว่า 9,500 ตัว สำหรับตรวจจับสัญญาณของนิวตริโน แต่เนื่องด้วย SNO ใช้น้ำมวลหนัก (Heavy water) ซึ่งแตกต่างจากการใช้น้ำบริสุทธิ์ใน Super-K จึงทำให้ SNO สามารถตรวจหาจำนวนนิวตรีโนอิเล็กตรอนได้รวมทั้งสามารถตรวจหาจำนวนนิวตริโนทั้ง 3 ชนิดรวมกันได้ (แต่ไม่สามารถแยกได้ว่าเป็นชนิดใด)

รูปที่ 4 Sudbury Neutrino Obsenvatory (SNO) ตั้งอยู่ ณ รัฐออนแทริโอประเทศแคนาดา
ตรวจวัดนิวตรีโนที่มาจากชั้นดวงอาทิตย์ (ภาพโดย Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Lab)

            ผลการรวบรวมข้อมูลจากการตรวจวัดของทีมของแมคใดนัลด์ในระยะเวลากว่า 2 ปี พบว่า จำนวนนิวตริโนอิเล็กตรอนที่มาจากดวงอาทิตย์มีเพียงประมาณ 1 ใน 3 ของจำนวนที่คาดไว้จากการคำนวณทางทฤษฎีแต่เมื่อได้พิจารณาจำนวนของนิวตริโนทั้ง 3 ชนิดรวมกัน กลับพบว่า มีจำนวนโดยประมาณเท่ากับจำนวนนิวตริโนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่คาดว่าจะตรวจพบในทางทฤษฎี ซึ่งทีมวิจัยของแมคโดนัลด์ได้สรุปผลการทดลองว่า นิวตริโนอิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนเป็นนิวตรีโนชนิดอื่นระหว่างการเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกซึ่งสอดคล้องกับผลการตรวจวัดและสมมติฐานของทีมวิจัยที่นำโดยคาจิตะ

รูปที่ 5 Sudbury Neutrino Observatory SNO) ตรวจวัดด้ทั้งนิวตรีโนที่มาจากดวงอาทิตย์และ
นิวตรีโนทั้ง 3 ชนิดรวมกัน (โดยไม่สามารถแยกได้ว่าเป็นนิวตริโนชนิดใด)

การนำไปสู่ข้อสรุปว่า นิวตริโนมีมวล

            การค้นพบว่า  นิวตริในมีการเปลี่ยนชนิดได้ ทำให้นักฟิสิกส์ต้องทบทวนทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานในส่วนของมวลของนิวตริโน ที่เดิมที พวกเขาได้เคยสมมติให้มีค่าเป็นศูนย์

            ในทฤษฎีควอนตัมซึ่งเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายธรรมชาติในระดับอ๊ะตอม อนุภาคและคลื่นเป็นรูปลักษณ์ที่แตกต่างกันของสภาวะทางกายภาพ (Physical state) เดียวกัน อนุภาคที่มีพลังงานเฉพาะค่าสามารถบรรยายได้ด้วยคลื่นที่มีความถี่เฉพาะค่า ดังนั้น สำหรับนิวตริโนอิเล็กตรอนนิวตริโนมิวออน และ นิวตรีโนทาว ในทางทฤษฎีควอนต้มอนุภาคเหล่านี้สามารถบรรยายไต้ด้วยคลื่นที่มีการซ้อนทับกัน(Superposition) อยู่หลายคลื่น โดยแต่ละคลื่นเป็นนิวตริโนที่มีสภาวะแตกต่างกัน เมื่อคลื่นเหล่านี้ที่ซ้อนทับกันอยู่มี "เฟสตรงกัน" (in phase) เราจะไม่สามารถแยกได้ว่า มีนิวตรีโนที่สภาวะใดบ้างที่ซ้อนทับกันอยู่

            การเปลี่ยนชนิดของนิวตริโนสามารถอธิบายได้โดยพิจารณาจากการที่ เมื่อนิวตรีโนเดินทางเป็นระยะทางหนึ่งคลื่นที่เคยซ้อนทับกันอยู่และมีเฟสตรงกันเกิดมีความ "ต่างเฟสกัน" (out of phase) จึงทำให้มีการซ้อนทับกันของคลื่นในรูปแบบที่ต่างไปจากเดิม รูปแบบการซ้อนทับกัน ณ บริเวณใดบริเวณหนึ่ง จะบ่งบอกถึงความน่าจะเป็นที่จะพบนิวตริโนชนิดใดชนิดหนึ่งมากที่สุด ณ บริเวณนั้น ดังนั้นนิวตรีโนที่เดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลก หรือ จากชั้นบรรยากาศผ่านโลก จึงมีการเปลี่ยนชนิดได้ ตามรูปแบบการซ้อนทับกันที่ของคลื่นที่เป็นองค์ประกอบของนิวตริโนชนิดเริ่มต้น

            สมบัติในการเปลี่ยนชนิดกลับไปมาของนิวตรีโนเรียกว่า "การแกว่ง" (Oscillation) ซึ่งจากเหตุผลข้างต้นนักฟิสิกส์จึงสรุปได้ว่า ความสามารถในการเปลี่ยนชนิดได้ของนิวตริโนจะเกิดขึ้นได้นั้น นิวตริโนแต่ละซนิดต้องมีมวลไม่เท่ากัน และไม่เป็นศูนย์นั่นเอง ซึ่งจากผลการทดลองได้มีการประมาณค่าของมวลนิวตริโนไว้ว่ามีค่าน้อยกว่า 3.57x10^-33 กรัม (Olive et al.. 2014)

            การค้นพบว่า นิวตริโนต้องมีมวลไม่เป็นศูนย์ ทำให้นักฟิสิกส์ตระหนักว่า ทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานที่พวกเขาได้สร้างขึ้นมาและคิดว่าเป็นทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบ ยังมีเรื่องราวที่ยังไม่สามารถให้คำอธิบายได้ และธรรมชาติของเอกภพยังมีสิ่งที่ยังคงซ่อนเร้นอยู่อีก ที่รอให้พวกเขาคั้นพบ

ความสำคัญของนิวตริโนกับวงการฟิสิกส์และชีวิตประจำวันของคนทั่วไป

            การศึกษาเกี่ยวกับนิวตริโน นอกจากอาจจะนำไปสู่ทฤษฎีทางฟิสิกส์ใหม่ ๆ แล้ว ยังสามารถช่วยให้นักฟิสิกส์ได้เข้าใจวิวัฒนาการของเอกภพยิ่งขึ้น เพราะถึงแม้นิวตรีโนจะเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก แต่เมื่อพิจารณาจำนวนนิวตริโนทั้งหมดในเอกภพ โดยประมาณแล้ว นักฟิสิกส์ได้คำนวณไว้ว่า มวลทั้งหมดมีค่าใกล้เคียงกับมวลของดวงดาวที่มองเห็นได้ทั้งหมดในเอกภพ ดังนั้น การศึกษาธรรมชาติและวิวัฒนาการของเอกภพจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ ที่นักฟิสิกส์จะต้องเข้าใจธรรมชาติของนิวตรีโน

            การที่นิวตริในมีอันตรกิริยากับสสารต่าง ๆ ทั่วไปในเอกภพน้อยมาก นักฟิสิกส์จึงได้อาศัยนิวตริโนเป็นเสมือน "ผู้ส่งสาร" (Messenger) ของเหตุการณ์สำคัญหลายเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในเอกภพ ไม่ว่าจะเป็น ซูเปอร์โนวา (Supernova) หรือ กระบวนการของการก่อกำเนิดเอกภพ Big Bang) ซึ่งหากนักฟิสิกส์สามารถสกัดข้อมูลต่าง ๆ จากนิวตรีโนที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากเหตุการณ์เหล่านี้พวกเขาจะสามารถได้ข้อมูลใหม่ ๆ ที่ไม่ไม่สามารถหาได้ด้วยวิธีเดิม ๆ ความพยายามในการศึกษาเอกภพด้วยนิวตรีโนทำให้เกิดสาขาวิจัยใหม่ชื่อว่า ดาราศาสตร์นิวตริโน (Neutrino astronomy)

ที่มา http://starfishquay.blogspot.com/2013/11/the-era-of-neutrino-astronomy-has-begun.html

            นอกจากนี้ ยังมีการใช้นิวตริโนศึกษาองค์ประกอบทางธรณีวิทยา ซึ่งส่งผลให้เกิดสาขาวิจัย Neutrino Geophysics ที่ยังเปิดกว้างสำหรับการได้ค้นพบข้อมูลใหม่ ๆ เกี่ยวกับองค์ประกอบชั้นในของโลก

            ในอนาคต เมื่อนักฟิสิกส์เข้าใจธรรมชาติของนิวตริโนมากยิ่งขึ้น การนำนิวตริโนมาประยุกต์ใช้อาจเกิดอีกได้อีกหลากหลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่น ในปี 2012 นักวิทยาศาสตร์ได้สาธิตการนำนิวตริโนมาใช้เป็นพาหะในการส่งสารสนเทศโดยอาศัยเครื่องเร่งอนุภาคส่งนิวตริโนผ่านชั้นหินหนากว่า 780 ฟุต ไปยังผู้รับอีกด้านหนึ่ง

            เมื่อนิวตริโนเผยให้เห็นสมบัติใหม่ ๆ มากยิ่งขึ้นการนำนิวตริโนไประยุกต์ใช้ในด้านอื่น ๆ จะเกิดขึ้นตามมาซึ่งเป็นเรื่องยากที่ใครจะสามารถคาดเดาได้ว่าจะมีการประยุกต์อย่างไร คล้ายกับกรณีการพยายามทำความเข้าใจปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ ที่มีจุดมุ่งหมายเพียงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ แต่ภายหลังได้มีการนำความเข้าใจที่ตกผลึกมาประยุกต์ใช้ในการสร้างอุปกรณ์อำนวยความสะดวกให้กับการดำรงชีวิตมากมาย

            การศึกษาธรรมชาติของนิวตริโน จึงไม่พียงมีความสำคัญกับการตอบคำถามในระดับพื้นฐานทางฟิสิกส์ แต่อาจนำไปสู่การคิดค้นเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่ช่วยพัฒนาคุณภาพชีวิตและแก้ปัญหาต่าง ๆ ที่ยังไม่มีใครสามารถคาดเดาได้

แหล่งเรียนรู้เพิ่มเติม

• บทความ "รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2015" ที่ลิงค์ http://goo.gl/MLOVKA
• หนังสือเรียนรู้เพิ่มเติมเพื่อเสริมศักยภาพวิทยาศาลตร์ ขั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6 ฟิสิกส์ เล่ม 5 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคในโลยี
• ลิงค์คลิปวีดิทัศน์เรื่อง Why neutrinos matter - Sivia Bravo Gallart ที่ลิงค์ https://goo.gl/atzseU (มีคำบรรยายใต้ภาพเป็นภาษาไทย)

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Halzen. F.. &  Martin, A. D. (2008). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. Inc.

Lincoln, D.. & Miceli, T. (2015). The Enigmatic Neutrino. The Physics Teachers. 53. pp 331.

Olive, K. A. et al. (2014). Particle Data Group. Chin. Phys. C. 38, 090001

The Royal Swedish Academy of Sciences. (2015). Scientiic background on the Nobel Prize in Physics 2015. Retrieved October 10. 2015.from https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/advanced-physicsprize2015.pdf.

The Royal Swedish Academy of Sciences. (2015). Nobel Prize in Physics 2015: Popular science background. Retrieved October 10, 2015. from https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/aureates/2015/popular-physicsprize2015.pdf.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคนโลยี. (2558). หนังสือเรียนรู้เพิ่มเติมเพื่อเสริมศักยภาพวิทยาศาสตร์ ขั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 – 6 ฟิสิกส์ เล่ม 5. กรุงเทพมหานคร: พัฒนาคุณภาพวิซาการ.