ก่อนปี ค.ศ.1945 การศึกษาปรากฏการณ์กัมมันตรังสีที่นิวเคลียสสลายตัวและปล่อยอนุภาคบีตาออกมา นักฟิสิกส์ได้พบว่าอนุภาคบีตามีพลังงานต่าง ๆ ได้หลายค่า ทั้ง ๆ ที่ทฤษฎีระบุว่า อนุภาคบีตาทุกอนุภาคต้องมีพลังงานเท่ากัน เมื่อผลการทดลองกับคำทำนายของทฤษฎีขัดแย้งกัน โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) จึงเสนอทางออกว่า เวลานิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวให้อนุภาคบีตา  นิวเคลียสมิได้ปลดปล่อยเพียงอนุภาคบีตาเท่านั้น แต่ยังมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ไม่มีทั้งประจุและไม่มีมวลออกมาด้วย การจัดแบ่งพลังงานไปให้อนุภาคลึกลับนี้ บางครั้งก็มากและบางครั้งก็น้อยดังนั้นอนุภาคบีตาจึงมีพลังงานน้อยบ้างและมากบ้างดังที่นักทดลองเห็น ข้อเสนอของเพาลียังไม่เป็นที่ยอมรับจนนักฟิสิกส์สามารถจะจับอนุภาคลึกลับตัวนั้นได้

            ถึงปี ค.ศ.1957 เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้เสนอทฤษฎีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี และได้ตั้งชื่ออนุภาคลีกลับนี้ว่า นิวตริโน (neutrino) แม้ยังไม่มีใครพบเห็นเพราะอนุภาคไม่มีมวล และไม่มีประจุ แต่มีพลังงาน (แสงก็เป็นอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ไม่มีมวล แต่มี่พลังงาน) จึงแทบไม่ทำอันตรกิริยากับอนุภาศใด ๆ เลย กระนั้นนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ก็เชื่อว่าธรรมชาติมีนิวตรีโนแน่นอน

            ปี ค.ศ.1971 เฟรดเดอริกไรน์เนส (Frederick Reines) และคลายด์ ใคแวน (Clyde Cowan)  ก็ประสบความสำเร็จในการจับอนุภาคนิวตริโนได้เป็นครั้งแรก และความสำเร็จนี้ทำให้ไรน์เนสได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปื ค.ศ. 1995 ส่วนโคแวนไม่ได้รับ เพราะเสียชีวิตไปก่อน

            แหล่งกำเนิดที่สำคัญของนิวตริโน คือดวงอาทิตย์ซึ่ง ฮานส์ เบทเท (Hans Bethe) ได้อธิบายว่า นิวตริโนจะเกิดเวลานิวเคลียสของไฮโดรเจน หลอมรวมกันเป็นฮีเลียม หรือ เกิดจากการชนกันระหว่างรังสีคอสมิกกับโมเลกุลของอากาศในบรรยากาศโลก  หรือเกิดเวลามีการเร่งอนุภาคโปรตอนไปพุ่งชนเป้าโลหะหนัก รวมถึงเกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ดังนั้น เรย์มอนด์ เดวิส (Raymond Davis) แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียในสหรัฐอเมริกาจึงพยายามจับและนับจำนวนนิวตรีในที่พุ่งมาจากดวงอาทิตย์ โดยการนำถังที่มีปริมาตร 380 ลูกบาศก็เมตรซึ่งภายในบรรจุสารละลายเปอร์คลอโรเอทีลีน (perchloroethyene: C.C. บริสุทธิ์หนัก 615 ตันไปฝังใต้ดินที่ระดับลึก 1,500 เมตรในเหมืองทองคำชื่อ โฮมสเตก (Homestake ในรัฐดาโกต้าใต้ (South Dakota) จิตวิญญาณของการเป็นนักฟิสิกส์ที่ทำการทดลองในเหมืองลึกใต้ดินเช่นนี้ ทำให้เดวิสได้รับการขนานนามว่า "นักฟิสิกส์คาวบอย" เพราะพื้นที่ที่ทำงานอยู่ห่างไกลจากแสงสี และความศิวิไลซ์ ที่ไม่เหมือนกับสถานทำงานของนักฟิสิกส์ทั่วไป

            เดวิสรู้ว่า อนุภาคนิวตรีโนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชัน(fusion) ในดวงอาทิตย์เมื่อเดินทางผ่านอวกาศมาปะทะกับอะตอมคลอรีนในโมเลกุล C₂Cl₄ จะเปลี่ยนอะดอมคลอรีนเป็นอะตอมอาร์กอนดังปฏิกิริยา v+ Cl³⁷ ->  Ar³⁷ + e^- เพราะอะตอมอาร์กอนเป็นอะตอมกัมมันตรังสีที่มีชีวิตประมาณ 50 วันดังนั้น เดวิสจึงสามารถเห็นอะตอมอาร์กอนได้ และทฤษฎีได้ทำนายว่า จากอะตอมคลอรีนในถังที่มี 10" อะตอมจะมีเพียง 6-8 จะตอมเท่านั้นที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรีโน จากนั้นจะมีอะตอมอาร์กอนเกิดขึ้น 6-8 อะตอม แต่เดวิสกลับเห็นเพียง 2.1 + 0.3 อะตอมเท่านั้น นั่นคือเพียง 1/3 ของค่าคาดหวัง

            เมื่อตัวเลขที่ได้จากการทดลองเป็นเช่นนี้ ข้อสรุปที่เป็นไปได้คือ นักทฤษฎีคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ผิดพลาด ซึ่งไม่น่าจะใช่ เพราะทฤษฎีเดียวกันนี้สามารถอธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นได้ผลดี หรือไม่ก็ผลการทดลองของเดวิสบกพร่องเพราะอนุภาคนิวตริโนได้เล็ดลอดหายไปถึง 2 ใน 3 แต่การวิเคราะห์การทำงานของอุปกรณ์ทดลองของเดวิสมิได้แสดงจุดบกพร่องใด ๆ ความขัดแย้งนี้จึงทำให้เกิดวิกฤตการณ์ครั้งยิ่งใหญ่ในวงการฟิสิกส์

            จนกระทั่งปี ค.ศ.1987 เมื่อมาซาโตชิ โคชิบะ (Masatoshi Koshiba) แห่งห้องปฏิบัติการคามิโอะคันเดะ (Kamiokande) ในญี่ปุ่น หลังจากประสบความสำเร็จในการตรวจจับนิวตริโนจากซุปเปอร์โนวา (supernova) 1987A แล้วไต้หันมาสนใจศึกษานิวตริโนจากดวงอาทิตย์ และผลการวัดของโคชิบะก็สอดคล้องกับการทดลองของเดวิส คือ นิวตรีโนที่มาจากดวงอาทิตย์มีเพียง 0.403 + 0.013 ของค่าที่ได้จากการคำนวณ

            นักฟิสิกส์ทฤษฎีจึงพยายามหาทางออกสำหรับความขัดแย้งนี้ โดยบรูโน ป๊อนเตคอร์โว (Bruno Pontecorvo) ได้เสนอความเห็นว่า ถ้าเอกภพมีนิวตรีโน 3 ชนิด (3 flavor) คือ electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino ซึ่งมักเกิดพร้อมกับอนุภาค eectron, muon และ tau ตามลำดับและนิวตริโนทั้งสามชนิดนี้ไม่มีประจุในขณะที่ electron, muon และ tau มีประจุลบ การมีมวลที่แตกต่างกันของนิวตริโนทั้งสามชนิดอาจทำให้นิวตริโนชนิดหนึ่งกลายพันธุ์ไปเป็นอีกชนิดหนึ่งได้ขณะเดินทาง

            ดังนั้นในปี ค.ศ. 2002 เรย์มอนด์ เดวิส แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย สหรัฐอเมริกากับมาซาโตชิโคชิบะแห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวจึงได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลในเบลฟิสิกส์ในฐานะผู้เปิดโลกวิทยาการดาราศาสตร์นิวตรีใน (neutrino astronomy) ที่ใช้นิวตริโนเป็นปัจจัยหลักในการสำรวจและศึกษาปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในเอกภพ

            นิวตรีโนนั้นแตกต่ำงจากอนุกาคอิเล็กตรอน อนุภาคมิวออน และอนุภาคทาว คือ มีมวลไม่คงตัว โดยนิวตริโน 1 อนุภาคจะมีนิวตรีในอิเล็กตรอน นิวตรีโนมิวออน และนิวตรีในทาวอยู่ปนกัน ในอัตราส่วนที่แตกต่างกัน เพราะมวลของนิวตริโนทั้งสามเปลี่ยนในอัตราเร็วที่แตกต่างกัน โดยความเร็วในการเปลี่ยนขึ้นกับมวลที่แตกต่าง พลังงานของนิวตรีโน และค่าคงตัวที่กำหนดอัตราการเปลี่ยนแปลง ในแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ของฟิสิกส์อนุภาคนิวตรีโนทั้งสามชนิดและโฟตอนไม่มีมวล ดังนั้นความเร็วของอนุภาคนิวตรีโนจึงต้องเท่าความเร็วแสง แต่ถ้านิวตรีโนเปลี่ยนแปลงตัวได้ มันต้องมีมวล จึงมีความเร็วในการเคลื่อนที่น้อยกว่าแสง

            การวัดมวลของนิวตรีโนทั้งสามชนิดจึงเป็นประเด็นสำคัญมากในวงการฟิสิกส์ และทำให้ฟิสิกส์ใต้ดินเป็นประเด็นที่โด่งดัง เพราะใน ค.ศ.1998 ที่มวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ 120 คน ภายใต้การนำของทาคากิ คาจิตะ (Takaki Kajita) แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวแห่งห้องปฏิบัติการซูเปอร์คามีโอะคันเดะ (Super-Kamiokande) ซึ่งรัฐบาลญี่ปุ่นได้จัดสร้างด้วยเงิน4 หมื่นล้านบาทได้แถลงผลการทดลองที่แสดงว่านิวตรีโนมีมวล

            คาจิตะได้ข้อสรุปนี้จากการทดลองที่ใช้ถังบรรจุน้ำบริสุทธิ์มวล 50,000 ตันฝังใต้ดินที่ระดับลึกหนึ่งกิโลเมตร่ในเหมืองสังกะสีซึ่งอยู่ไกลจากโตเกียว 250 กิโลเมตร โดยที่ผนังถังมีหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (photomutiplier) 13,000 หลอดสำหรับรับแสงที่เกิดขึ้นเวลาอนุภาคมิวออนนิวตริโนทำปฏิกิริยากับอนุภาคโปรตอนของน้ำในถัง

            การติดตั้งถังที่ระดับลึกเช่นนี้ เพราะคาจิตะต้องการสกัดกั้นอนุภาคอื่น ๆ ไม่ให้เข้ามาทำปฏิกิริยากับน้ำในถังและการใช้น้ำปริมาณมาก เป็นการเพิ่มโอกาสการเกิดปฏิกิริยาระหว่างมิวออนนิวตริโนกับโปรตอน ส่วนการติดตั้งโฟโตมัลติพลายเออร์นับหมื่นหลอดรอบถัง ก็เพื่อให้สามารถบอกทิศที่มาและแหล่งกำเนิดของนิวตริโนได้อย่างถูกต้อง

            ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า จำนวนอนุภาคนิวตรีในจากดวงอาทิตย์ที่ระดับพื้นมีค่ามากกว่าที่ระดับสูง นั่นคือมิวออนนิวตริโน ได้เปลี่ยนไป มันจึงมีมวลที่มีค่าน้อยกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 10 ล้านเท่า

            ด้านอาเธอร์ แมคโดนัล (Arthur McDonald) แห่งมหาวิทยาลัยควีน (Queen's University) ที่เมืองคิงสตัน (Kingston) ประเทศแคนาดาก็ยืนยันการค้นพบของคาจิตะโดยใช้ห้องปฏิบัติการซัดเบอรี่ Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ที่มีอุปกรณ์รูปร่างทรงกลมซึ่งบรรจุน้ำมวลหนัก (heavy water) 1,000 ตัน ในการสังเกตนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นชนิดอิเล็กตรอนนิวตริโน (electron neutrino) และพบว่าในการเดินทาง 150 ล้านกิโลเมตรถึงโลก อิเล็กตรอนนิวตรีโนบางส่วนได้กลายเป็นมิวออนนิวตริโนกับทาวนิวตริโน เปรียบเสมือนกับ มีคนโยนมะนาวมาให้ แต่เมื่อถึงมือเรามะนาวได้กลายไปเป็นมะม่วง

            การทดลองทั้งที่ Super-Kamiokande และที่ SNO ทำให้คาจิตะและแมคโดนัลได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2015 ร่วมกัน

รูป (ข้าย) Takaaki Kajita (ขวา) Arthur McDonald

            เพื่อให้การทดลองวัดมวลที่แตกต่างกันของนิวตริโนเป็นไปอย่างราบรื่น แทนที่จะต้องคอยรับจากอวกาศไกลโพ้นนักฟิสิกส์จึงสร้างห้องปฏิบัติการบนโลกที่สามารถผลิตนิวตรีโนได้ในปริมาณมาก ด้วยการยิงโปรตอนไปกระทบเป้าแกรไฟต์ซึ่งจะทำให้เกิดอนุภาคมิวออน (muon) ที่มีประจุ มีชีวิตสั้นและมีมิวออนนิวตร์โน (muon neutrino) เกิดขึ้นเป็นจำนวนมากจากนั้นโฟกัสลำมิวออนนิวตริโนให้พุ่งไปที่ห้องปฏิบัติการซุปเปอร์คามิโอะคันเดะ (Super-Kamiokande) ที่เมืองค้ามีโอกะ (Kamioka) ซึ่งอยู่ห่างออกไป 295 กิโลเมตร ผลการตรวจรับนิวตริโนที่ปลายทางพบอิเล็กตรอนนิวตริโน 6 อนุภาค นั่นคือมิวออนนิวตร์โนได้เปลี่ยนไปเป็นอิเล็กตรอนนิวตริโน ดังนั้นนิวตริโนมีมวล

            ปริศนาต่อไป คือ อะไรคือสาเหตุที่ทำให้นิวตริโนมีมวล ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ไม่ได้พิจารณาอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคฮิกส์ (Higgs) กับนิวตริโน (neutrino) ดังนั้นแบบจำลองจึงต้องมีการปรับแก้เพื่ออธิบายสาเหตุที่ทำให้นิวตริโนทั้งสามชนิดมีมวลแตกต่างกัน

            นักฟิสิกส์จีนก็กำลังสนใจนิวตรีโนจึงได้ขอให้รัฐบาลสร้างห้องปฎิบัติการเจียงเหมิน (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) (JUNO) มูลค่า 10,500 ล้านบาท ที่เมืองเจียงเหมิน (Jiangmen) ในมณฑลกวางตุ้งเพื่อวัดมวลของนิวตรีโนทั้งสามชนิด และคาดหวังจะได้คำตอบในปี ค.ศ. 2020

            นักฟิสิกส์อเมริกันก็มีโครงการวัดมวลของนิวตริโนเช่นกัน โดยให้มีความละเอียดและถูกต้องยิ่งกว่าจีนสามเท่าโครงการของอเมริกามีกำหนดจะให้ผลในปี ค.ศ. 2025 โดยใช้อุปกรณ์ตรวจจับแบบอาร์กอนเหลว 40,000 ตัน ซึ่งจะให้อิเล็กตรอนและแสง เวลาอะตอมอาร์กอนถูกนิวตริโนพุ่งชน

            สำหรับนักฟิสิกส์ชาติอื่นก็สนใจนิวตริโน เช่นที่อาร์เจนตินามีหอสังเกตการณ์ปีแอร์โอเจร์ (Pierre Auger) ที่เมืองเมนโดซา (Mendoza) จะวัดพลังงานของนิวตริโนจากอวกาศในช่วง 10'-1031 อิเล็กตรอนโวลต์ โดยใช้ถังน้ำขนาดเล็ก 1600 ถัง และห้องปฏิบัติการนี้ได้ดำเนินการมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2004

            ที่ทวีปแอนตาร์กติกามีสถานีแมคเมอโด (McMurdo) ซึ่งปล่อยบอลลูนขึ้นสู่บรรยากาศสูงเพื่อตรวจจับอนุภาคนิวตรีโนที่มีพลังงาน 10¹⁷ - 10²¹ อิเล็กตรอนโวลต์

            ที่ขั้วโลกใต้มีโครงการ ICECUBE ที่ใช้น้ำแข็งปริมาตร 1 ลูกบาศก์กิโลเมตรที่ระดับลึก 1.5 กิโลเมตร เพื่อดักจับนิวตริโนที่มีพลังงานตั้งแต่ 10'-10'1 อิเล็กตรอนโวลต์อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่เป็นกล้องโทรทรรศน์นิวตรีโน ที่ทำงานใต้น้ำแข็ง แทนที่จะโคจรอยู่บนฟ้าเหมือนกล้องโทรทรรศน์ทั่วไป และที่ระดับลึกมากนี้ ความดันของน้ำแข็งจะมากจนภายในน้ำแข็งไม่มีฟองอากาศเลย และเมื่อบรรยากาศโดยรอบก้อนน้ำแข็งมืดสนิท ดังนั้นถ้ามีแสงเกิดขึ้น นักทดลองก็จะรู้ทันทีว่า นิวตร์โนได้พุ่งชนอะตอมออกซิเจนในน้ำแล้ว ทำให้มีอนุภาคมิวออนเกิดขึ้น ซึ่งจะเปล่งแสงให้ photomultiplier ที่อยู่เรียงรายรอบก้อนน้ำแข็งรับได้ นอกจาก ICECUBE จะวัดมวลนิวตริโนแล้ว ยังเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาสสารมืดและอนุภาคWIMP (weakly interacting massive particle) ด้วย ซึ่งถ้ามีการพบ WIMP จริง หัวหน้าโครงการ ICECUBE ก็เตรียมตัวเดินทางไปรับรางวัลโนเบลได้เลย

            ญี่ปุ่นก็กำลังวางแผนสร้างห้องปฏิบัติการไฮเปอร์คามิโอะคันเดะ (Hyper-Kamiokande) มูลค่า 28,000 ล้านบาท ซึ่งจะเป็นอุปกรณ์ตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลก เพราะใหญ่กว่าซุปเปอร์คามิโอะคันเดะถึง 25 เท่า อุปกรณ์นี้ใช้น้ำบริสุทธิ์ 106 ตัน เพื่อรับนิวตริโนจาก Japan Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) โดยสังเกตการเปลี่ยนมวลของนิวตริโนที่เดินทางมาจาก J-Parc

รูป Sterile-neutrino hunt gathers pace at Gran Sasso
ที่มา http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jun/21/sterile-neutrino-hunt-gathers-pace-at-gran-sasso

            ด้านนักทฤษฎีก็กำลังสนใจว่า ในธรรมชาติอาจมีนิวตริโนชนิดที่ 4 คือ นิวตริโนหมัน (sterile neutrino) ที่จะทำปฏิกิริยากับอนุภาคอย่างอื่นรุนแรงน้อยกว่านิวตริโนทุกชนิดถ้านิวตริโนชนิดที่ 4 นี้มีจริง นักฟิสิกส์ก็จะอธิบายที่มาของสสารมืดได้ ถ้านิวตริโนชนิดใดหายตัวไปอย่างไร้ร่องรอยนั่นหมายความว่า มันได้กลายไปเป็นนิวตริโนหมันแล้วสุดท้ายนี้ประเด็นที่น่าสนใจ และประหลาดใจมากคือนักฟิสิกส์กำลังใช้อนุภาคที่เกือบจะไม่มีมวลศึกษาระบบที่มีมวลมโหฬารที่สุด คือ เอกภพ

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

บรรณานุกรม

Close, F. (2010). Neutrino. Oxford University Press.