มวลของนิวตริโน

ชาญกิจ คันฉ่อง

แบบจำลองมาตรฐาน ( standard model ) เป็นทฤษฎีว่าด้วย อนุภาคมูลฐาน และ อันตรกิริยาพื้นฐาน 3 ชนิด คือ แม่เหล็กไฟฟ้า, นิวเคลียร์แบบอ่อน, และนิวเคลียร์แบบเข้ม ในธรรมชาติ ทฤษฎีนี้ได้จากหลักสมมาตรของอวกาศ-เวลา และสมมาตรเกจ ( gauge symmetry ) อย่างสวยงาม และได้รับการยืนยันจากการทดลองอย่างแม่นตรง แต่ในปัจจุบันนักฟิสิกส์ได้ค้นพบปรากฏการณ์จำนวนหนึ่งทั้งในระดับอนุภาคมูลฐานและระดับเอกภพวิทยาที่แบบจำลอง มาตรฐานไม่สามารถอธิบายได้ จึงจำเป็นต้องสร้างทฤษฎีพื้นฐานที่เหนือกว่าแบบจำลองมาตรฐาน(beyond standard model) ปรากฏการณ์หนึ่งในนั้น คือ การแกว่งกวัดของนิวตริโน ( neutrino oscillation )

ตามแบบจำลองมาตรฐาน [1] นิวตริโนเป็นอนุภาคสปิน ½ , เป็นกลางทางไฟฟ้า, และมี 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน-นิวตริโน    ( ), มิวออน-นิวตริโน ( ), และ เทา-นิวตริโน ( ) ซึ่งชนิดของนิวตริโนเป็นสถานะควอนตัมที่เรียกว่า flavours โดยแต่ละชนิดมีปฏินิวตริโน ( antineutrino ) คู่กัน นิวตริโนและปฏินิวตริโนมีอันตรกิริยาได้แต่อันตรกิริยานิวเคลียร์แบบ อ่อนซึ่งมีอนุภาคสื่อกลาง คือ W และ Z bosons เช่น ปรากฏการณ์การสลายให้รังสีเบตาของนิวเคลียสที่ให้ปฏิอิเล็กตรอน นิวตริโน ( ) จากการทดลองพบว่า [1] นิวตริโนมีแต่ สถานะสปินแบบมือซ้าย ( left-handed ) คือ มีทิศสปินตรง ข้ามกับทิศการเคลื่อนที่เสมอ กล่าวคือ ไม่มีผู้สังเกตใดที่สามารถเคลื่อนที่เร็วกว่านิวตริโนจนกระทั่งวิ่งแซงนิวตริโนให้ เห็นทิศการเคลื่อนที่ตรงกันข้าม ทำให้เห็นนิวตริโนกลับเป็นแบบมือขวา ( right-handed ) ได้ แม้ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อน ที่เร็วเท่าแสงก็ตาม ดังนั้นโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ นิวตริโนมีอัตราเร็วเท่าแสง และไม่มีมวล

จากการทดลองพบว่า [2 , และดู “ การแกว่งกวัดของนิวตริโน ” ที่หน้า 6 ] เมื่อนิวตริโนแผ่ ( propagate ) อย่างอิสระใน อวกาศสามารถเปลี่ยนชนิดได้เอง เช่น ที่กำเนิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์เมื่อเดินทางสามารถเปลี่ยนเป็น   หรือ ได้เอง และเมื่อเคลื่อนที่ในระยะทางมากพอก็กลับไปเป็น ซึ่งเรียกว่า การแกว่งกวัดของนิวตริโน อธิบายได้  ว่า [3] นิวตริโนต้องมีมวล โดยมีหลายสถานะควอนตัมของมวล ( , , ) ที่มีมวลไม่เท่ากัน ( , , ) และไม่ ตรงกับสถานะ flavours ทีเดียว เช่น มีสถานะของมวลแบบ และ ซ้อนทับ ( superpose ) กัน แต่ละ , มีความยาวคลื่นเดอบรอยล์ต่างกัน เมื่อเดินทางในอวกาศคลื่นเดอบรอยล์ของสถานะมวลทั้งสองก็จะซ้อนทับกันใหม่ใน ลักษณะที่เกิด หรือ ขึ้นมาได้ (ดู  รูปที่ 1 . [2] )จากปรากฏการณ์แกว่งกวัดของนิวตริโนและการทดลองในบาง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทำให้วัดได้ค่าขอบเขตที่เป็นไป ได้ของมวลนิวตริโน โดยพบว่าค่าขอบเขตบนน้อยกว่าค่ามวลอิเล็กตรอน  มาก [1, 3]

รูปที่ 1. แผนภาพแสดงการแกว่งกวัดของนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ในขณะที่เดินทางมายังโลก [2]

เมื่อนิวตริโนมีมวลก็ไม่ตรงกับแบบจำลองมาตรฐาน ทำให้ต้องปรับปรุงแบบจำลองมาตรฐานใหม่ โดยต้องเพิ่มกลไกที่ให้มวล ของนิวตริโนน้อยมากๆ สอดคล้องกับการทดลอง แนวคิดหนึ่งที่สำคัญคือ seesaw mechanism [1] เริ่มจากมองว่านิวตริโน กับปฏินิวตริโนเป็นอนุภาคเดียวกัน (ในทำนองเดียวกับโฟตอน) และนิวตริโนมือซ้ายทำอันตรกิริยากับอนุภาค Higgs จะได้ มวลและให้นิวตริโนมือขวา ซึ่งกลไกที่ทำให้มวลนิวตริโนมีค่าน้อยคือการให้นิวตริโนมือขวาที่มีมวลมากกว่าควาร์กมากๆ ซึ่ง จะปรากฏอยู่ในห้วงเวลาแคบมากๆ ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก แล้วค่อยทำอันตรกิริยากับอนุภาค Higgs กลับ มาเป็นนิวตริโนมือซ้ายที่ปรากฏออกมาเกือบตลอดเวลา

ตามแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคและปฏิอนุภาคมีสมมาตรมาก ทำให้เอกภพยุคต้นมีอนุภาคและปฏิอนุภาคพอๆ กันนิวตริโน มีมวลให้อีกกลไกหนึ่งที่ทำลายความสมมาตรนี้ละให้กลไกหนึ่งในการวิวัฒนาการของสสารในเอกภพที่ทำให้สสารโดดเด่น กว่าปฏิสสารดังที่สังเกตได้ในปัจจุบัน [1] นอกจากนี้จากการวัดได้ค่าขอบเขตที่เป็นไปได้ของมวลนิวตริโนทำให้ทราบว่า นิวตริโนมีความหนาแน่นพลังงานเป็น 0.1-4 % ของความหนาแน่นพลังงานในเอกภพ [3] ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ สสารมืด    ( dark matters ) ที่มีความหนาแน่นพลังงานถึง 23 % ของเอกภพ สสารมืดจำเป็นต่อการอธิบายสภาพเอกภพในปัจจุบัน แต่ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าสสารมืดนอกเหนือจากที่เป็นนิวตริโนเป็นสสารอะไร

ฟิสิกส์ของนิวตริโนเปิด “ อีกหน้าต่าง ” ของ วิชาดารา-ศาสตร์ฟิสิกส์ ( astrophysics ) [2,3] ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งเป็นกลไกสำคัญของการปลดปล่อยพลังงานของวัตถุทางดาราศาสตร์ ( astrophysical objects ) จะปลดปล่อย นิวตริโนออกมา นิวตริโนที่ปลดปล่อยออกมาทำอันตรกิริยากับอนุภาคอื่นๆน้อยมาก จึงถูกรบกวนน้อยมาก ทำให้ สามารถใช้เป็นเครื่องตรวจวัด ( probe ) ในการศึกษากลไกการปลดปล่อยพลังงานของวัตถุทางดาราศาสตร์ เช่น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในแกนกลางดวงอาทิตย์

 

กิตติกรรมประกาศ : ขอขอบคุณ คุณวรินทร ศรีทะวงศ์ และ คุณ อิษฎา ทองกุล ที่ช่วยแก้ไขและตรวจสอบประเด็น ในบทความ

เอกสารอ้างอิง

[1] H. Murayama, “The Origin of Neutrino Mass,” Physics World , Vol. 15 , No.5, May 2002.

[2] A. B. McDonald, J. R. Klein, and D. L. Walk, “Solving the Solar Neutrino Problem,” Scientific American Vol. 15 , No.3, 2005.

[3] L. Oberauer and C. Hagner, “Neutrino Physics,” AAPPS Bulletin , Vol. 15 , No.5, October 2005.