นิวทริโน (neutrino)่

อนุภาคมูลฐานที่มีมวลน้อยมาก เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง มีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง สมบัติเหล่านี้ทำให้นิวทริโนทะลุผ่านสสารแม้หนามาก ๆ ได้ดี โดยไม่ไปกระทบและเกิดปฏิสัมพันธ์กับอะตอม หรือโมเลกุลของสสารที่ทะลุผ่านไป เช่น นิวทริโนมีวิถีเสรีเฉลี่ย (mean free path) ในน้ำเท่ากับ 10 เท่าของระยะทาง ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ กล่าวคือ เมื่อนิวทริโนทะลุผ่านเข้าไปในน้ำในระยะทางดังกล่าว นิวทริโนจึงมีโอกาสชนกับโมเลกุลของน้ำสักครั้งหนึ่ง ดังนั้นการตรวจหานิวทริโนจึงกระทำได้ยากมาก นอกจากนี้นิวทริโนยังเป็นอนุภาคสามัญที่สุดในจักรวาล โดยมีจำนวนมากกว่าอนุภาคที่รู้จักกันทั่วไปคือ อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน ถึงหนึ่งหมื่นล้านเท่าตัว

นิวทริโนมีสปินเท่ากับ ? หรือ (จึงอยู่ในตระกูลเฟร์มิออน) และอยู่ในกลุ่มเลปตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นกลางด้วย ซึ่งจะไม่มีปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ชนิดเข้มชนิดเข้มหรือกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่จะมีปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ชนิดอ่อนและมีปฏิสัมพันธ์กับแรงความโน้มถ่วง นิวทริโนมี 3 ชนิดหรือเฟลเวอร์ (flavor) ตามชนิดของอนุภาคเลปตอนนั่นเอง แล้วแต่ว่ามันเกิดขึ้นพร้อมกับอนุภาคชนิดใด ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวทริโน (electron neutrino) มิวออนนิวทริโน (muon neutrino) และเทานิวทริโน (tau neutrino) ซึ่งแต่ละชนิดก็มีปฏิสสารหรือ แอนติ-นิวทริโน (anti-neutrino) ของนิวทริโนแต่ละชนิดด้วย

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเมื่อตอนที่จักรวาลถือกำเนิดที่เรียกว่าบิกแบง (big bang) นั้น มีนิวทริโนเกิดขึ้นมาด้วยและแผ่ซ่านออกไปอยู่ทั่วจักรวาล ต่อมาเมื่อจักรวาลเย็นลงนิวทริโนก็ยังเกิดได้อีกจากการเกิดซูเปอร์โนวา การชนกันของดาวนิวตรอน รวมทั้งจากปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียส (nuclear fusion) ที่เกิดอยู่บนดวงอาทิตย์ และแม้แต่การสลายให้อนุภาคบีตาของสารกัมมันตรังสีในธรรมชาติบนพื้นโลก เหล่านี้ล้วนเป็นแหล่งกำเนิดของนิวทริโนทั้งสิ้น โดยจัดเป็นนิวทริโนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ นอกจากนี้ยังมีนิวทริโนที่มนุษย์ผลิตขึ้น โดยเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และเครื่องเร่งอนุภาคบางชนิด เป็นต้น

นิวทริโนเป็นผลผลิตสำคัญของซูเปอร์โนวา เนื่องจากซูเปอร์โนวามีสสารมารวมกันมหาศาล อยู่ภายในปริมาตรที่จำกัดและมีอุณภูมิสูงมาก ดังนั้นสสารเหล่านี้จึงอยู่ในสถานะพลาสมา (plasma) ทีมีความหนาแน่นสูง โดยสามารถประมาณเป็นความดัน ที่แกนของซูเปอร์โนวาสูงมากถึง 10¹⁴ กรัม/ตารางเซนติเมตร อิเล็กตรอนก็เป็นสสารหนึ่งด้วยในซูเปอร์โนวา และก็ถูกบีบอยู่ในปริมาตรจำกัดเช่นกัน ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้มีโมเมนตัมสูงมาก จนเคลื่อนวนด้วยความเร็วสูง แต่เนื่องจากตามหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle) โมเมนตัมของอิเล็กตรอนเหล่านี้จะไม่เท่ากันหมด แต่จะมากน้อยต่างกันไปตามสถานะควอนตัมเรียกว่ามีสภาพซ้อนสถานะ (degeneracy) ซึ่งในสภาพถูกจำกัดพลังงานไว้นี้บวกกับการถูกจำกัดปริมาตร จึงมีอิเล็กตรอนส่วนเกินไปเกิดการรวมตัวกับโปรตอน แปรเป็นนิวตรอนและอิเล็กตรอนนิวทริโนได้ ซึ่งพลังงานส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในซูเปอร์โนวา ก็แผ่เป็นรังสีออกไป ในรูปของการระเบิดอย่างรุนแรงและปล่อยนิวทริโนออกมานี้เอง

สำหรับนิวทริโนที่เกิดบนดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์หลอมนิวเคลียสของไฮโดรเจน (ซึ่งก็คือ โปรตอน) นั่นเอง ปฏิกิริยาที่เกิดค่อนข้างจะซับซ้อนเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน กล่าวโดยสรุปก็คือโปรตอน 4 อนุภาคหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสฮีเลียมซึ่งมีโปรตอน 2 อนุภาคกับนิวตรอนอีก 2 อนุภาค และมีการปล่อยอิเล็กตรอนนิวทริโนออกมาด้วย 1 อนุภาค โดยในแต่ละวินาที ดวงอาทิตย์จะปล่อยอิเล็กตรอนนิวทริโนออกมา 100 ล้านล้านล้านล้านล้านล้านอนุภาค ดวงอาทิตย์จึงเป็นแหล่งผลิตนิวทริโนใหญ่ ที่ปล่อยนิวทริโนออกมาตลอดเวลา และผ่านทะลุโลกกับวัตถุต่าง ๆ บนโลกไป โดยในแต่ละวินาที มีอิเล็กตรอนนิวทริโนจากดวงอาทิตย์มากกว่า 5 ล้านล้านอนุภาค กำลังผ่านทะลุร่างกายของแต่ละคนไป

แหล่งกำเนิดของนิวทริโนตามธรรมชาติอีกแหล่งนึ่ง ก็คือ เมื่อรังสีคอสมิกซึ่งมีพลังงานสูง มากระทบกับนิวเคลียสของอะตอม และโมเลกุลต่าง ๆ ในบรรยากาศของโลก ก่อเกิดเป็นอนุภาคมากมาย ที่สาดลงสู่โลกเหมือนกับละอองฝน (shower) อนุภาคเหล่านี้จำนวนมากไม่คงตัว และเกิดการสลายกัมมันตรังสี โดยปล่อยนิวทริโนออกมาด้วย เรียกว่า นิวทริโนในบรรยากาศ (atmospheric neutrino)

นิวทริโนจากพื้นโลก (geoneutrino) เป็นผลมาจากรังสีในธรรมชาติ เกิดจากการสลายของอนุกรมกัมมันตรังสีหลัก ๆ ได้แก่ อนุกรมยูเรเนียม-238 อนุกรมทอเรียม-236 รวมทั้งอนุกรมโพแทสเซียม-40 ซึ่งนิวทริโนที่เกิดขึ้นมีทั้ง อิเล็กตรอนนิวทริโนและแอนติ-อิเล็กตรอนนิวทริโน กล่าวคือ เมื่อโปรตอนสลายแปรเป็นนิวตรอนก็จะให้อิเล็กตรอนนิวทริโนออกมา ( ) หรืออีกแบบหนึ่งเกิดในทางกลับกันเมื่อนิวตรอนสลายแปรเป็นโปรตอนก็จะให้แอนติ-อิเล็กตรอนนิวทริโนออกมา

ต้นกำเนิดนิวทริโนที่มนุษย์ผลิตขึ้นอื่น ๆ นอกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แล้ว ก็คือ เครื่องเร่งอนุภาคพายออน (pion) หรือเคออน (kaon) และปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในลูกระเบิดนิวเคลียร์

เพราะว่าภาคตัดขวางของปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ชนิดอ่อน มีค่าต่ำมาก นิวทริโนจึงสามารถผ่านทะลุสสาร โดยแทบไม่มีการกีดขวาง สำหรับนิวทริโนชนิดที่เกิดบนดวงอาทิตย์ ที่มีพลังงาน 2-3 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ต้องใช้ตะกั่วหนาเท่ากับระยะทาง 1 ปีแสง (ราว 1016 เมตร) จึงจะกันนิวทริโนไว้ได้ครึ่งหนึ่ง ดังนั้นการตรวจหานิวทริโนจึงเป็นเรื่องท้าทาย ต้องใช้ปริมาตรขนาดใหญ่ในการตรวจหา หรือต้องใช้ลำนิวทริโนสังเคราะห์ที่มีความเข้มสูง เช่น หอสังเกตการณ์ใต้ดินซูเปอร์-คะมิโอะคันเดะ (Super-Kamiokande หรือ Super-K) ประเทศญี่ปุ่น ตั้งอยู่ในเหมืองใต้ดินและใช้ถังทรงกระบอกบรรจุน้ำบริสุทธิ์ถึง 50,000 ตันล้อมรอบด้วยหัววัดแสงจำนวน 11.200 หัว สำหรับดักอนุภาคนิวทริโนที่ผ่านเข้ามา ซึ่งจะทำให้เกิดรังสีเชอเรนคอฟในน้ำ เห็นเป็นวงแหวน มีขนาดและทิศทางแตกต่างกัน ตามแต่ระดับพลังงานและทิศทางที่นิวทริโนหลุดเข้ามา

การตรวจหานิวทริโนยังมีอีกหลายวิธีและกระทำกันอีกในหลาย ๆ แห่ง เช่น ที่ Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ในประเทศแคนาดาศึกษาแกนของดวงอาทิตย์ และ ในสหรัฐอเมริกามีที่เออร์วินมิชิแกนบรูกเฮเวน (Irvine Michigan Brookhaven หรือ IMB) และที่เฟร์มิแลบ (Fermilab) ซึ่งศึกษาด้วยหลายวิธีการ เช่น MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) และ MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) รวมทั้งที่ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN)

สาเหตุที่มีความสนใจตรวจหานิวทริโนกันมาก ก็เพราะนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า นิวทริโนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดต่าง ๆ ข้างต้น ได้นำข้อมูลของแหล่งกำเนิดนั้น ๆ มาด้วยโดยไม่ถูกบิดเบือน เพราะว่ามันแทบไม่เกิดปฏิสัมพันธ์ใด ๆ กับอะไรเลย ต่างกับการศึกษาแสงหรือคลื่นวิทยุจากอวกาศ ซึ่งสามารถถูกบิดเบือนจากสิ่งต่าง ๆ ตลอดทางที่มันผ่านมา