|
การแกว่งกวัดของนิวตริโน สมศร สิงขรัตน์ ณ วินาทีนี้ท่านผู้อ่านรู้สึกไหมครับว่ามี อนุภาคนิวตริโน 5 ล้านล้านตัว วิ่งทะลุผ่านหน้าผากไป ไม่น่าเชื่อนะครับ แต่ก็เป็น เช่นนั้นจริงๆ เพราะดวงอาทิตย์ของเราเป็นแหล่งผลิตนิวตริโนที่สำคัญ โดยเกิดออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่หลอมรวม ธาตุเบาให้เป็นธาตุหนักขึ้น สุทธิแล้วดวงอาทิตย์ปลดปล่อยอนุภาคนิวตริโนออกมาถึง 2 x 10^38 ตัวต่อวินาที อยู่มาก็นานแล้ว ปริมาณก็ไม่ได้น้อยๆ แต่กลับไม่ค่อยมีใครรู้จักดีนัก อดีต มีการเอ่ยถึงอนุภาคตัวนี้เป็น ครั้งแรก ในปี ค.ศ. 1930 โดยเกิดจากความพยายามของนักฟิสิกส์คนหนึ่งที่จะอธิบาย ปฏิกิริยานิวเคลียร์ชนิดที่นิวเคลียสสลายตัวให้รังสีเบต้า ซึ่งมีปัญหาที่ท้าทายอยู่ในเวลานั้น เมื่อถึงที่สุดแล้วเขาก็โพล่งออกมาว่า เพื่อให้ปฏิกิริยานี้สอดคล้องกับกฏการอนุรักษ์พลังงานซึ่งต้องเป็นจริงเสมอ การสลายตัวนี้จะต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง เกิดขึ้นมาด้วย โดยเป็นอนุภาคที่เล็กมาก (ในภายหลังมีการคาดหมายจากทฤษฎีว่าน่าจะไม่มีมวลด้วยซ้ำ) มีสปิน ½ เหมือน อิเล็กตรอน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า จึงตรวจวัดได้ยากมาก นักทดลองจึงไม่เคยวัดเจอเลยไง ถ้าเป็นเราๆ เสนอความคิดแบบนี้ คงมีคนฟังบางคนสวนขึ้นมาว่า “ พูดอีกก็ถูกอิฐ ” แต่เผอิญว่าในครั้งนั้น คนพูดก็คือ ยอดนักฟิสิกส์ทฤษฏี Wolfgang Pauli จึงกลับมีคนเชื่อไม่น้อย ยอดนักฟิสิกส์อัจฉริยะอย่าง Enrico Fermi ก็ยังเห็นดีเห็นงามไปด้วย แถมในปี ค.ศ. 1933 ยังตั้งชื่อสำเนียงอิตาเลียนให้อีกด้วยว่า “ นิวตริโน ( neutrino)” แปลว่า “ เจ้านิวตรอนน้อย ” (อนุภาคนิวตรอนถูก ค้นพบโดย J. Chadwick ในปี ค.ศ. 1932) และจากสิ่งที่เชื่อโดยไม่เคยเห็น Fermi สามารถนำมันมาร่วมสร้างทฤษฎี การแผ่รังสีเบต้าและอันตรกิริยานิวเคลียร์แบบอ่อนได้สำเร็จอย่างถูกต้องสวยงาม แม้จนถึงวันที่ต้องละสังขาร เมื่อ 28 พฤศจิกายน ค.ศ. 1954 ก็ยังไม่มีโอกาสได้พบปะตัวจริง จนล่วงมาถึงปี ค.ศ. 1956 สองนักฟิสิกส์หนุ่มอเมริกัน Frederick Reines กับ Clyde Cowan ก็ประสพความสำเร็จในการ ตรวจจับอนุภาคนิวตริโนที่ถูกปล่อยออกมาจากเตาปฏิกรณ์-นิวเคลียร์ของ Savannah River Nuclear Plant ที่ South Carolina ก่อนหน้านี้เพื่อนๆ เคยล้อทั้งสองคนว่า กำลังพยายามจะจับผีหรือ ? (ด้วยผลงานนี้ Reines จึงได้รับรางวัลโนเบลสาขา ฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1995 โดย Cowan เสียชีวิตไปก่อนแล้ว 21 ปี) ถึงปี ค.ศ. 1962 ก็เกิดมีข้อมูลที่สำคัญแล้วว่า มีอนุภาคนิวตริโนอยู่ 2 ชนิด คือ electron-neutrino ( แต่มีการทดลองหนึ่งที่ช่วยเพิ่มชีวิตชีวาให้แก่วงการเป็นอย่างมากและได้กลายเป็นตำนานไปแล้ว ซึ่งเริ่มต้นเพียงจาก ความอยากรู้อยากเห็นของนักเคมีอเมริกันคนหนึ่ง ผู้มีนามว่า Raymond Davis Jr. โดยในปี ค.ศ. 1948 เมื่อเริ่มเข้าไปทำงาน กับศูนย์วิจัยใหม่ Brookhaven National Laboratory ( BNL) ได้เข้าไปถามหัวหน้าแผนกเคมีว่า “ จะให้ผมทำอะไร ” เจ้านายกลับตอบว่า “ อยากทำอะไรก็คิดเอาเองเถอะ ” ซึ่ง Davis ชอบมาก แล้วเข้าไปขลุกอยู่ในห้องสมุดพักใหญ่ ในที่สุด Davis ก็ตัดสินใจได้ว่าจะทำวิจัยเรื่อง อนุภาคนิวตริโน เพราะยังมีปัญหาที่น่าสนใจรอคอยท้าทายความสามารถอยู่เยอะมาก ( Davis เคยพูดไว้ตอนหลังว่า “The interesting thing about doing new experiments is that you never know what answer is going to be”.) และวิธีตรวจจับอนุภาคนิวตริโนวิธีหนึ่งก็สอดคล้องกับภูมิหลังของนักเคมีอย่าง Davis เป็นอย่างดี กล่าวคือ ในปี ค.ศ. 1946 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Bruno Pontecorvo (แต่อพยพไปอาศัยอยู่ในประเทศโซเวียตรุสเซีย) เคยเสนอไว้ว่า เมื่อ อนุภาคนิวตริโนวิ่งชนคลอรีน ผลพวงที่จะเกิดขึ้นคือ อิเล็กตรอนกับไอโซโทปกัมมันตรังสีอาร์กอน-37 ซึ่งในสายตาของ นักเคมีอย่าง Davis การแยกอาร์กอนออกมาจากสารละลายคลอรีนไม่ใช่เรื่องยาก Davis ได้พัฒนาเทคนิควัดอนุภาค นิวตริโนแบบนี้ที่ BNL ด้วยตัวเองจนสำเร็จ แล้วนำไปทำหัววัดเพื่อวัดอนุภาคนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ โดยส่วนสำคัญของหัววัด เป็นถังสารละลาย Perchloroethylene (C 2 Cl 4 ) ขนาด 100,000 แกลลอน (มวล 610 ตัน) อยู่ใต้ดินลึก 1,480 เมตร ในเหมืองทอง ชื่อ Homestake mine ในรัฐ South Dakota สหรัฐอเมริกา (ดูที่หน้า 4 เพิ่มเติม) ในเวลาไล่เลี่ยกันนั้นมีนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีหนุ่มอีกคนชื่อ John Bahcall ทำงานวิจัยอยู่ที่สถาบันเดียวกับที่ ไอน์สไตน์เคยอยู่คือ Institute of Advanced Study มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน ได้สร้างทฤษฎีแบบจำลองของดวงอาทิตย์ขึ้นมา ( Standard Solar Model, SSM) ซึ่งสามารถใช้คำนวณจำนวนอนุภาคนิวตริโนที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมาได้ด้วย ทั้ง Davis และ Bahcall ร่วมมือกัน (รูปที่ 1) แต่ผลการวัดของ Davis ในปี ค.ศ. 1968 ได้อัตรานิวตริโนต่ำกว่าจำนวนที่ Bahcall ทำนายไว้ถึงประมาณ 3 เท่า เป็นความแตกต่างที่มากเกินกว่าจะยอมรับว่าเป็นความคลาดเคลื่อนของการทดลอง เรียกความ ไม่ลงรอยนี้กันว่า “Solar Neutrino Anomaly” บางคนก็วิจารณ์ว่าหัววัดไม่ดีพอ แต่อีกฝ่ายก็ว่าทฤษฎี SSM ไม่สมบูรณ์พอ หรือเรายังรู้จักอนุภาคนิวตริโนไม่ดีพอ ? ต่อปัญหา solar neutrino anomaly นี้ Pontecorvo ได้เสนอความเห็นไว้ว่า electron – neutrino อาจเปลี่ยนเป็น muon-neutrino ก็ได้ ซึ่งถ้าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้ อนุภาคนิวตริโนต้องมีมวลแต่น้อยกว่า อิเล็กตรอนมาก [ ในตอนนั้นยังไม่ได้ค้นพบอนุภาค tau-neutrino ( อย่างไรก็ตามความน่าสนใจของปัญหาได้ทำให้เกิดหัววัดนิวตริโนขนาดใหญ่ยักษ์ตามมาอีกหลายแห่ง เช่น Super-Kamiokande ของญี่ปุ่นร่วมกับสหรัฐอเมริกาที่มีความสูงขนาดตึก 10 ชั้น บรรจุเต็มด้วยน้ำบริสุทธิ์มวล 50,000 ตัน อยู่ใต้ดินลึก 2,700 เมตรที่เหมือง Kamioka Mozumi ห่างกรุงโตเกียวประมาณ 200 กม. หรือ Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ของคานาดา ร่วมกับสหรัฐอเมริกาและอังกฤษที่หัววัดเป็นลูกกลมขนาดใหญ่ เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 เมตร บรรจุภายในด้วย heavy water (ต้องใช้ในปริมาณมากจนต้องขอยืมมาจากรัฐบาลคานาดา) อยู่ใต้ดินลึก 2,000 เมตร ในเหมืองทองแดง-นิเกิลที่เมืองออนตาริโอ ประเทศคานาดา ฯลฯ หลักการอย่างย่อๆ ก็คือ เมื่อมี
รูปที่ 1 สองสิงห์สุริยะนิวตริโน (ซ้าย) Davis กับ Bahcall เมื่อประมาณปี ค.ศ. 1966 กับหัววัดใต้ดินที่เหมือง Homestake mine และ(ขวา) เมื่อปี ค.ศ.1995 ตอนไปรับรางวัล Tinsley Prize (Davis) กับ Heineman Prize (Bahcall) จาก American Astronomical Society. ปัจจุบันและอนาคต แต่การทดลองทั้งหลายที่ผ่านมายังไม่สามารถบอกได้ว่า นิวตริโนชนิดใดแกว่งกวัดสลับกับชนิดใด ? นิวตริโนกับ ปฏินิวตริโนแกว่งกวัดเหมือนกันหรือไม่ ? ฯลฯ นักฟิสิกส์จึงต้องหาทางพิสูจน์ทราบต่อไป ระบบการทดลองใหม่ที่รุดหน้าไปได้ไกลมากที่สุดใน ขณะนี้ เป็นของโครงการ “CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS)” ซึ่งเป็นโครงการนานาชาติที่สหภาพยุโรปเป็นแกนหลัก เป็นโครงการที่ต้องใช้งบประมาณไม่ต่ำกว่า 110 ล้านยูโร มีเป้าหมายสูงสุดอยู่ที่การเจาะจงพิสูจน์ทราบการแกว่งกวัดระหว่าง muon-neutrino กับ tau-neutrino โดยลักษณะ การทดลองที่ออกแบบมาเป็นการเฉพาะที่เห็นแล้วอดทึ่งไม่ได้ว่า “ พวกฝรั่งนี่คิดได้ยังไง !” และ “ ทำไมจึงกล้าลงทุนกันขนาดนี้ !” โดยขั้นแรกนั้น ฝูงอนุภาค muon-neutrino จะถูกผลิตขึ้นที่ศูนย์วิจัย CERN ของยุโรป ซึ่งอยู่ใกล้กรุงเจนีวา ประเทศ สวิตเซอร์แลนด์ ดังแสดงใน รูปบนปกหน้า ระบบผลิตจะอยู่ใต้ดินลึกประมาณ 80 เมตร เครื่องเร่งอนุภาค Super Proton Synchrotron (SPS) จะเร่งลำอนุภาคโปรตอนให้มีพลังงาน 400 GeV (=400 x 10 9 eV) ยิงใส่เป้า ( target) ที่เป็นก้อน กราไฟต์ (ดูแผนภาพใน รูปที่ 2 ) ซึ่งจะทำให้เกิดอนุภาคอื่นๆ อีกหลายชนิดรวมถึงอนุภาค pion
รูปที่ 2 แผนภาพแสดงขั้นตอนการผลิตฝูงอนุภาค muon-neutrino ที่ ศูนย์วิจัย CERN แนวท่อของส่วนนี้ห้ามพลาดเป้า ที่อิตาลีเกิน 4 เมตร ( จาก CERN Courier, November 2006, หน้า 20)
ส่วนปลายทางที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ Gran Sasso ของอิตาลีซึ่งอยู่ห่างกรุงโรม 120 กม. จะมีหัววัดที่เรียกชื่อว่า OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) มีมวล 1,800 ตัน สูงกว่าคนประมาณ 5 เท่า (ดูรูปที่ปกหน้า) สร้างอยู่ในอุโมงค์คู่อุโมงค์ทางหลวงลอดผ่านภูเขา Gran Sasso ที่เชื่อมระหว่างเมือง L ' Aquila กับ Teramo เพื่อให้หินภูเขาหนา 1,400 เมตรช่วยบรรเทาเบาบางการรบกวนของรังสีคอสมิคต่อหัววัดนี้ หัววัดนี้ถูกออกแบบให้วัดอนุภาค tau-neutrino ได้ด้วย แต่ไม่ใช่เป็นการวัดโดยตรง มันมีความยุ่งยากมากกว่านั้น กล่าวคือ เมื่ออนุภาค tau-neutrino ชนถูกแผ่นตะกั่วในหัววัด (คือส่วน SM1 กับ SM2 Target ใน รูปที่ปกหน้า ซึ่งทำเป็นเหมือนขนมชั้น ที่แผ่นตะกั่วหนา 1 มม.ถูกวางเรียงสลับกับแผ่นฟิล์มหนา 1/4 มม. เป็นตับ) จะเกิดอนุภาค tau-lepton เมื่อวันที่ 18 สิงหาคม 2006 หัววัด OPERA ตรวจวัดอนุภาคนิวตริโนที่ยิงมาจาก CERN ได้เป็นครั้งแรก เป็นสัญญาณดีที่บอก ว่าระบบทุกส่วนร่วมกันทำงานได้อย่างสมบูรณ์ นับจากนี้ไปก็จะต้องก้มหน้าก้มตาทำการทดลอง อีก 5 ปี ที่ต้องใช้เวลานาน ขนาดนี้ในการเก็บข้อมมูล ก็เพราะนักฟิสิกส์ประเมินไว้ว่าในจำนวนอนุภาค muon-neutrino 10 18 ตัว จาก CERN ที่ทะลุทะลวงมาจนถึงหัววัด OPERA ในแต่ละปี จะมีเพียงประมาณ 2,500 ตัวที่จะเกิดอันตรกิริยากับมวลสารของหัววัด โดยในประดานี้จะมีในเรือน 10 ตัว เท่านั้นที่เป็น tau-neutrino ที่เกิดจากการแกว่งกวัด เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่เราจะรอลุ้น ด้วยใจจดใจจ่อ ที่กล่าวมาเป็นเพียง 1 ตัวอย่างเท่านั้น ในอนาคตยังจะมีโครงการขนาดใหญ่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นอีกอย่างน้อย 2 แห่ง คือ โครงการ T2K (Tokai to Kamioka) ที่ประเทศญี่ปุ่น (มูลค่าโครงการประมาณ 1.6 หมื่นล้านเยนหรือ 160 ล้านเหรียญสหรัฐ) และโครงการ NOvA ที่สหรัฐอเมริกา (มูลค่าโครงการประมาณ 197 ล้านเหรียญสหรัฐ) จะเห็นได้ว่าโครงการวิจัยเหล่า นี้ต้องใช้งบประมาณสูงมาก มีนักฟิสิกส์ของประเทศใดบ้างที่มีสิทธิอนุมัติงบประมาณสูงขนาดนี้ จึงย่อมต้องได้รับการสนับสนุน เป็นอย่างดีจาก รัฐบาลกับรัฐสภา ของประเทศที่เกี่ยวข้อง มีนักการเมืองของประเทศเหล่านี้กี่คนกันที่สนใจว่าอนุภาคนิวตริโน จะมีมวลเท่าใด หรือมวล ( mass) เกิดมีขึ้นมาได้อย่างไร หรือทำไมปัจจุบันจึงมีปฏิสสารน้อยกว่าสสาร แต่โครงการยากและท้าทายแบบนี้เท่านั้นมิใช่หรือที่เร่งโอกาสเกิดนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเก่งๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ไม่ใช่รอให้เกิดแบบตามยถากรรม) โครงการแบบนี้ไม่ใช่หรือที่ทำให้เกิดการพัฒนาต่อยอดและส่งทอดความรู้จากรุ่นสู่รุ่น อย่างเป็นระบบ โครงการแบบนี้มิใช่หรือที่มีโอกาสเกิดนวัตกรรมและเทคโนโลยีใหม่ๆ ซึ่งในที่สุดสามารถนำเงินตราเข้า ประเทศและทำให้ชีวิตความเป็นอยู่ดีขึ้นแบบพึ่งพาตนเองได้ โครงการแบบนี้มิใช่หรือที่ทำให้คนเรียนฟิสิกส์มองเห็น career path ที่ชัดเจนและตรงมากที่สุด อย่าโยนภาระหน้าที่สร้าง career path ให้แก่นิสิต/นักศึกษาว่าเป็นของครูบาอาจารย์ฟิสิกส์เท่านั้น ประเทศไต้หวันหรือเกาหลีใต้ประสพความสำเร็จอย่างทุกวันนี้ ด้วยแนวคิดไร้เดียงสาแบบนี้หรือ ? รูปที่ 3 แผนภาพ “ รอยเท้า ” ของอนุภาค tau-neutrino (
|






