รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2015

By: terminus
Writer
on Tue, 06/10/2015 - 16:56

วันนี้ (วันที่ 6 ตุลาคม 2015) Göran K. Hansson เลขาธิการถาวรของราชสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนได้ประกาศผลมติการประชุมของคณะกรรมการรางวัลโนเบลว่ารางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2015 เป็นของ Takahashi Kajita กับ Arthur B. McDonald ในฐานะที่ค้นพบ Neutrino oscillation ซึ่งแสดงให้เห็นว่านิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีมวล

นิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีมากที่สุดในเอกภพรองจากโฟตอน (อนุภาคแสง) อนุภาคนี้เกิดขึ้นจากบิ๊กแบง, ซุปเปอร์โนวา, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันและฟิสชัน, การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ทุกวินาทีจะมีนิวตริโนหลายพันล้านตัววิ่งผ่านตัวเราด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง สาเหตุที่เราไม่รู้สึกอะไรก็เพราะนิวตริโนนั้นแทบจะไม่ทำอันตรกิริยากับอะไรเลย ตัวมันเองก็เป็นกลางทางไฟฟ้า เครื่องมือทั่วไปไม่สามารถตรวจจับได้ การตรวจจับนิวตริโนส่วนใหญ่จะใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่มากๆ และฝังอยู่ใต้ดินลึกๆ เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน

ตั้งแต่ประมาณปี 1960 นักวิทยาศาสตร์รู้สึกสงสัยกันเป็นอันมากว่าไม่ว่าจะตรวจวัดด้วยวิธีไหน นิวตริโนจากดวงอาทิตย์ที่วิ่งมาถึงโลกจะน้อยกว่าที่ควรจะเป็นอยู่ราว 2 ใน 3 เสมอ หนึ่งในทฤษฎีที่อธิบายปรากฏการณ์นี้คือนิวตริโนมีการแปลงร่างหรือที่เรียกว่า neutrino oscillation ในระหว่างทางจากดวงอาทิตย์มาถึงโลก นิวตริโนมีอยู่ด้วยกัน 3 แบบ ได้แก่ electron neutrino, muon neutrino, และ tau neutrino (ตามอนุภาคประจุที่เป็นคู่ของมัน) นิวตริโนที่ผลิตออกมาจากดวงอาทิตย์มีแต่ electron neutrino ดังนั้นหากมันมีการเปลี่ยนชนิดไปเป็น muon neutrino และ tau neutrino ทุกอย่างก็จะลงตัวพอดีกับสิ่งที่สังเกตได้

neutrinometamorph
ภาพจากเอกสาร Nobel Prize Press Release

ในปี 1998 ก็มีหลักฐานการทดลองแรกที่สนับสนุนทฤษฎีนี้มาจากเครื่องตรวจจับนิวตริโน Super-Kamiokande ที่อยู่ใต้ดินลึก 1 กม. ในญี่ปุ่น เมื่อนิวตริโนวิ่งมาชนกับน้ำบริสุทธิ์กว่า 50,000 ตันในถังสูง 40 เมตรของ Super-Kamiokande มันจะปล่อยอนุภาคประจุที่เป็นคู่ของมันออกมา (สาเหตุที่ต้องใช้ถังน้ำใหญ่ขนาดนี้เพราะว่าโอกาสที่นิวตริโนจะชนกับอนุภาคอื่นนั้นน้อยมาก ในนิวตริโนประมาณแสนล้านตัวที่วิ่งผ่าน อาจจะมีแค่ไม่กี่พันตัวที่เกิดอันตรกิริยา) อนุภาคที่เกิดขึ้นจะมีความเร็วมากกว่าแสงในน้ำ ดังนั้นจึงเกิดแสงที่เรียกว่า Cherenkov light เรืองเป็นแสงสีฟ้าๆ ขึ้นมา นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุทิศทางและชนิดของนิวตริโนได้จากรูปร่างและความเข้มของลำแสง Cherenkov light เช่น ถ้านิวตริโนวิ่งทะลุลงมาจากฟ้า ลำแสงก็จะมีลักษณะกระจายพุ่งลง ส่วนนิวตริโนที่วิ่งผ่านแกนกลางโลกมาจากอีกซีกโลกหนึ่ง ลำแสงก็จะกระจายพุ่งขึ้น ทีมวิจัยที่นำโดย Takahashi Kajita พบว่าเครื่องตรวจจับ Super-Kamiokande เจอ muon neutrino ที่วิ่งลงสู่เครื่องตรงๆ มากกว่า muon neutrino ที่วิ่งมาจากอีกซีกโลก ทั้งที่มันควรจะเท่ากันหรือต่างกันไม่มาก เพราะนิวตริโนแทบจะไม่ทำอันตรกิริยากับอะไร ต่อให้หักลบโอกาสที่นิวตริโนจะวิ่งชนอะไรระหว่างที่มันวิ่งผ่านใจกลางโลก ตัวเลขก็ยังน้อยกว่าที่คาดคิดไว้มาก Takahashi Kajita จึงสรุปได้ว่า muon neutrino ที่มาจากอีกซีกโลกจำเป็นต้องใช้เวลาในการเดินทางมากกว่า ดังนั้นมันจึงมีเวลาในการแปลงร่างไปเป็น tau neutrino มากกว่า ส่วนที่เปลี่ยนไปเป็น tau neutrino นี้แหละคือส่วนที่ขาดหายไป เนื่องจาก Super-Kamiokande ไม่สามารถตรวจจับ tauon (อนุภาคประจุของ tau neutrino)

  • Y. Fukuda et al (Super-Kamiokande collaboration), “Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos”, Physical Review Letters 81, 1562 (24 August 1998)

ต่อมาในปี 2001 หลักฐานอีกชิ้นที่ตอกทฤษฎี neutrino oscillation ให้แน่นเปรี๊ยะมาจาก Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ในแคนาดา ซึ่งอยู่ใต้ดินลึก 2 กม. และใช้น้ำ 1,000 ตันเป็นตัวตรวจจับนิวตริโน ความพิเศษของน้ำใน SNO คือมันเป็น heavy water ซึ่งมีดิวทีเรียมเป็นองค์ประกอบแทนที่ไฮโดรเจนธรรมดา ทำให้มีโอกาสเกิดอันตรกิริยากับนิวตริโนมากขึ้น และ SNO ก็ออกแบบมาให้ตรวจจับนิวตริโนได้ทั้งสามแบบ ทีมวิจัยที่นำโดย Arthur McDonald ค้นพบว่า หากนับเฉพาะ electron neutrino ซึ่งเป็นชนิดเดียวกับที่ผลิตขึ้นที่ดวงอาทิตย์ เครื่องตรวจจับ SNO จะเจอนิวตริโนเพียง 1 ใน 3 ของที่คำนวณได้จากอัตราการแผ่นิวตริโนของดวงอาทิตย์ แต่หากนับรวมนิวตริโนทั้งสามแบบ จำนวนนิวตริโนที่ตรวจจับได้จะตรงกับปริมาณนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ที่คำนวณได้อย่างพอดิบพอดี นั่นแปลได้อย่างเดียวว่า electron neutrino ได้แปลงร่างไปเป็น muon neutrino และ tau neutrino ในระหว่างทางจากดวงอาทิตย์ถึงโลก

  • Q.R. Ahmad et al (SNO collaboration), “Measurement of the Rate of νe + d → p + p + e− Interactions Produced by 8 B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory”, Physical Review Letters 87, 071301 (13 August 2001)

  • Q.R. Ahmad et al (SNO collaboration), “Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory”, Physical Review Letters 89, 011301 (1 July 2002)

การค้นพบว่า neutrino oscillation เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจริงในธรรมชาติ ทำให้นำไปสู่ข้อสรุปที่เหนือขึ้นไปอีกว่านิวตริโนต้องมีมวล เนื่องจากตาม Standard Model อนุภาคจะสามารถอธิบายได้ด้วยคลื่นที่มีความถี่สมมูลตามระดับพลังงานของมัน เมื่อเหล่าพลพรรคนิวตริโนวิ่งผ่านอวกาศ คลื่นอนุภาคนิวตริโนก็จะแทรกสอดกันทำให้เฟสคลื่นเปลี่ยนแปลง เกิดเป็นการสั่นของลูกคลื่น (oscillation) ความถี่ของคลื่นนิวตริโนจึงเปลี่ยนแปลง ถ้านิวตริโนไม่มีมวล การเปลี่ยนแปลงความถี่นี้ก็จะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนชนิดของอนุภาคนิวตริโน แต่หากนิวตริโนมีมวล การเปลี่ยนแปลงที่ความถี่ก็ย่อมหมายถึงการแปลงร่างของนิวตริโนกลับไปมาระหว่าง 3 แบบซึ่งมีมวลต่างกัน

การค้นพบว่านิวตริโนมีมวล ทำให้มวลรวมของดาวฤกษ์และอนุภาคที่สังเกตได้ในเอกภพเพิ่มขึ้นไปจนพอตรงกับค่าที่คำนวณได้ มวลของนิวตริโนนั้นแม้จะน้อยแค่ไหน แต่ด้วยความที่มันมีมากมหาศาล พอรวมๆ กันมันก็เยอะอยู่ นักดาราศาสตร์ที่งงกับความคลาดเคลื่อนนี้อยู่นานก็คลายข้อข้องใจได้สักที ตอนนั้นใครจะไปนึกว่ามวลมหาศาลที่ขาดหายไปจากการคำนวณที่แท้แล้วคือมวลของอนุภาคผีตัวจิ๋วจ้อยอย่างนิวตริโน

เงินรางวัล 8 ล้านโครนสวีเดนจะแบ่งให้ทั้งสองท่านเท่าๆ กัน

ที่มา - Nobel Prize Press Release

6 Comments

plagapong's picture

Japaneses strike again.

ส่วนบ้านเราก็นั่งอ่านข่าวต่อไป อย่างว่าจะแต่คว้าเลย ขนาดฝันยังไม่กล้า

Kittichok's picture

ขอบคุณสำหรับคำอธิบายครับ
อุก อ่านไปถึงวรรค 4 ก็ไม่เข้าใจแล้วสิ

waroonh's picture

บนดวงอาทิตย์ หลังเกิด ปฏิกริยา นิวเคลีย

แสง decay (ย่อยสลาย) เป็น Z กับ W สองตัว
แล้ว decay อีกครั้ง เป็น proton, neutron, electron , neutrino
แล้ว neutrino วิ่งออกไปใน อวกาศเลย ไม่ได้อยู่รวมกับ วัตถุ

ตาม "standard model" p, n, e, Ve มี 3 generation (เกิดจากการทดลอง)
ทุกอย่างเหมือนกัน ยกเว้น น้ำหนัก (วัดเป็นหน่วย GeV)

Ve จึงมี 3 generation ไปด้วย เรียงตามน้ำหนัก คือ Ve, Vu, Vt
นิวติโน่ของ อิเลคตรอน มิวออน และ ทาว

เมื่อ Ve, Vu, Vt เดินทาง จากดวงอาทิยต์มาที่โลก แล้วชนเข้ากับ วัตถุ
ตรงใจกลางพอดี ที่มีแค่ p,n และ e มันจะคืนรูป

proton, neutron, electron , neutrino -> W และ Z กลับเป็น แสง

(ตัว detector เป็น heavy water บริสุทธิ์)

แล้วจึงจับทิศเอาว่า แสงที่เกิดขึ้น ใน detector วิ่งเป็นมุม เท่าไหร่ถึงจะรู้ว่า
แสงเมื่อกี้ เกิดจาก Ve, Vu หรือ Vt

neutrino oscillation เป็นการทดลองที่สำคัญมาก อาจจะมากที่สุดในวงการเลยก็ได้
เพราะในอนาคต มันสามารถใช้ confirm ได้ว่า Ve, Vu และ Vt จริง ๆ คือ
sub particle ตัวเดียวกัน แต่อยู่ เยื้อง จากผู้สังเกต
ไปใน อนาคต (Ve) , ปัจจุบัน (Vu) และ อดีต (Vt)

hisoft's picture

กรี๊ด คุณ terminus มาแล้ว :D

เป็นไปได้มั้ยว่าสสารมืดที่ว่าจริงๆ แล้วคือไอ้เจ้าพวกนี้?

The Phantom Thief