การปลดปล่อยไดนิวตรอนเห็นได้เป็นครั้งแรก

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          กลุ่มนักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกาอ้างว่า สามารถตรวจพบการปลดปล่อย นิวตรอนคู่ (neutron pair) ได้เป็นครั้งแรก จากการสลายกัมมันตรังสีของนิวเคลียสของอะตอม การสลาย “ไดนิวตรอน” (dineutron) ซึ่งมีลักษณะเป็น “อนุภาคเดี่ยวที่ประกอบจากนิวตรอนสองอนุภาค” ดังกล่าวนี้ สามารถช่วยเพิ่มเติมความเข้าใจ ของเราเกี่ยวกับ แรงชนิดเข้ม (strong force) ซึ่งทำหน้าที่เกาะเกี่ยวอนุภาคต่าง ๆ ไว้ภายในนิวเคลียส รวมถึง กระบวนการต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นภายใน ดาวนิวตรอน (neutron star)

          การสลายของนิวเคลียสเกิดขึ้นเมื่ออะตอมแปรธาตุเพื่อทำให้ตัวมันเองเสถียรขึ้น รูปแบบที่รู้จักกันดีที่สุดก็คือ การสลายให้รังสีแอลฟา (alpha decay) ซึ่งปลดปล่อยนิวเคลียสฮีเลียมออกมา การสลายให้รังสีบีตา (beta decay) ที่ปลดปล่อยอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนออกมา และ การสลายให้รังสีแกมมา (gamma decay) ที่สลายเป็นรังสีแกมมา นอกเหนือจากนี้ก็คือการสลายที่เกี่ยกับการปล่อย โปรตอนเดี่ยว (single proton) หรือ นิวตรอนเดี่ยว (single neutron)

          อย่างไรก็ดี หลายทศวรรษที่ผ่านมา ได้มีความสนใจว่ามีรูปแบบการสลายอื่นใด ที่เกิดได้ยากอยู่อีกหรือไม่ โดยในปี 2002 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าไอโซโทปเหล็ก-45 ซึ่งมีนิวตรอนน้อยกว่าไอโซโทปเหล็ก-54 ซึ่งเสถียรที่สุด ในกลุ่ม อยู่ถึง 9 อนุภาค มีการสลายโดยการปลดปล่อยโปรตอน 2 อนุภาค หลังจากนั้นมา ก็มีหลักฐานบางประการว่า โปรตอนทั้ง 2 อนุภาคที่ปลดปล่อยออกมานั้น สามารถจับคู่กันกลายเป็นอนุภาคเดี่ยว “ไดโปรตอน” (diproton) เป็นเวลาสั้น ๆ (short-lived)

          โดยหลัก การเฝ้าสังเกตเพื่อให้พบเห็นไดนิวตรอนสักอนุภาคหนึ่ง ไม่ควรจะยุ่งยากซับซ้อนเท่ากับการพบเห็น ไดโปรตอน เพราะว่านิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้าที่จะไปก่อกวนข้อมูลการตรวจหา ดังที่ผ่านมา มีการสังเกต ไดนิวตรอน ทางอ้อมได้จากไอโซโทปฮีเลียมที่มีจำนวนนิวตรอนสูง ๆ อาทิเช่น ฮีเลียม-6 และฮีเลียม-8 ซึ่งพบนิวตรอนจำนวนหนึ่ง ปรากฏเป็น “นิวตรอนเฮโล” (neutron halo น่าจะอธิบายง่าย ๆ ว่านิวตรอนที่ ‘เฮโล’ กันมาอยู่เป็นกระจุก และทำให้ นิวเคลียสพองโตขึ้นกว่าที่น่าจะเป็น) อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสตรงกลาง อย่างไรก็ดี มาถึงวันนี้ อาร์เทมิส สไปรู (Artemis Spyrou) แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน (Michigan State University) กับคณะของเธอ เชื่อว่าพวกเขาได้ตรวจพบ ไดนิวตรอน ข้างนอกนิวเคลียสขณะเกิดการสลายของนิวเคลียสนั้น โดยสไปรูกล่าวว่า “สิ่งนี้มีความสำคัญ ในตัวมันเอง เพราะมันแสดงถึงสมบัติหนึ่งของนิวเคลียส ที่เราไม่เคยรู้ว่าจะเป็นไปได้”

          แน่ชัดว่าที่ที่เหมาะแก่การเริ่มค้นหาไดนิวตรอนจากการสลายก็คือ ภายในนิวเคลียสที่มีอนุภาคนิวตรอน เป็นจำนวนมาก เพราะนั่นคือ นิวเคลียสที่คงต้องการสูญเสียนิวตรอนอย่างน้อย 2 อนุภาค เพื่อให้ตัวเองมีเสถียรภาพ สูงขึ้น แต่นิวเคลียสที่มีนิวตรอนมาก ๆ พวกนี้มีแนวโน้มที่จะสลายนิวตรอนทีละ 1 อนุภาค มากกว่าจะสลายทีเดียว พร้อมกัน 2 อนุภาค แต่ก็ไม่นิวเคลียสทุกชนิดที่เลือกจะสลายทีละขั้น ๆ ยกตัวอย่าง เบริลเลียม-16 ไม่ได้ปล่อย นิวตรอนเดี่ยว เพราะเมื่อแปรเป็นเบริลเลียม-15 มันจะยิ่งไม่เสถียร

          แน่ละว่าสิ่งที่คณะของสไปรูตรวจสอบกันก็คือ การสลายไดนิวตรอนของเบริลเลียม-16 นั่นเอง พวกเขา ประดิษฐ์ไอโซโทปนี้ขึ้นที่ห้องปฏิบัติการ National Superconducting Cyclotron Laboratory ของมหาวิทยาลัย แห่งรัฐมิชิแกน วิธีการคือ การดึงเอาอนุภาคโปรตอนออกจากลำไอโซโทปโบรอน-17 ได้เป็น เบริลเลียม-16 ซึ่งในทันใดก็จะสลายโดยการปลดปล่อยนิวตรอนออกมาคราวเดียว 2 อนุภาค และกลายเป็นเบริลเลียม-14 ซึ่งภายหลังการตรวจสอบข้อมูลของพลังงานและตำแหน่งของอนุภาคทั้ง 3 ชนิด ได้แก่ นิวตรอนทั้ง 2 อนุภาค และนิวเคลียสเบริลเลียม-14 พวกนักวิจัยคำนวณได้ผลว่า นิวตรอน 2 อนุภาคนั้นถูกปลดปล่อยออกมาพร้อมกัน และในทิศทางเดียวกัน

          สไปรูกล่าวว่า ทิศทางมีความสำคัญต่อการจะระบุว่า การสลายนั้น ๆ เป็นกระบวนการที่สลายให้ไดนิวตรอน หากนิวเคลียสปล่อนนิวตรอน 2 อนุภาคนี้คนละที มุมระหว่างทิศทางของนิวตรอนทั้ง 2 อนุภาคนี้ก็แทบจะเรียกได้ว่า เป็นไปตามบุญตามกรรม

          บ็อบ แชริตี (Bob Charity) เป็นนักเคมีแห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตัน (Washington University) ในมลรัฐ เซนต์หลุยส์ ผู้มีความสันทัดจัดเจนด้านโครงสร้างของนิวเคลียสและปฏิกิริยานิวเคลียร์ คิดว่าผลการทดลองนี้ น่าประทับใจ “นิวตรอนเดี่ยวน่าจะเกิดปฏิสัมพันธ์กับส่วนหนึ่งของเครื่องวัด และเกิดกระบวนการเลี้ยวเบน จากนั้นก็ไปมีปฏิสัมพันธ์กับอีกส่วนหนึ่งของเครื่องวัด ทำให้ยากที่จะบอกความแตกต่างระหว่างเหตุการณ์ ว่าเกิดจากนิวตรอนเดี่ยว หรือว่าเกิดจากสองนิวตรอน” เขากล่าว “งานหนักของการทดลองนี้...น่าจะได้รับ การยกย่องในความเพียรพยายาม ที่จะแยกเหตุการณ์ที่เกิดจากสองนิวตรอน ออกจากเหตุการณ์ สองนิวตรอน ‘เทียม’ ที่เกิดขึ้นเป็นพื้น”

          อย่างไรก็ดี นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนรวมทั้งแชริตีเองด้วย ยังกังขาว่าจะเป็น ไดนิวตรอน จริงหรือไม่ เนื่องจากนิวตรอนที่ปลดปล่อยออกมาที่จริงก็เกี่ยวเกาะกันเป็นกระจุกอยู่แล้วในนิวเคลียสเฮโลของเบริลเลียม คนพวกนี้กล่าวว่า นิวตรอนพวกนี้ก็น่าจะเกาะเกี่ยวเป็นกระจุกกันข้างนอกนิวเคลียสด้วย แต่ก็ไม่ได้หมายความว่า นิวตรอนพวกนี้รวมตัวกันเหมือนอนุภาคเดี่ยว (ไดนิวตรอน) จริง ๆ

          มาเร็ก ฟึตซเนอร์ (Marek Pfoetzner) บอกกับฟิสิกส์เวิลด์ดอตคอม (physicsworld.com) ว่า “ผมยังไม่ เชื่อว่า พวกเขาตรวจพบอนุภาคชนิดใหม่” ฟึตซเนอร์เป็นนักฟิสิกส์นิวเคลียร์แห่งมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์ (University of Warsaw) ประเทศโปแลนด์ และเขาเชื่อว่า หลักคิดว่าเป็นไดนิวตรอนนั้น “เป็นวิธีคิดที่ทำให้ง่าย สำหรับอธิบาย ข้อมูลที่ได้ ซึ่งนำมาใช้เมื่อยังขาดคำอธิบายในรายละเอียดและจริงจัง”

          สไปรูเชื่อว่า เดี๋ยวนี้นักวิทยาศาสตร์ต้องเข้าใจว่าทำไม การสลายให้สอง-นิวตรอน จึงเกิดขึ้น และนิวเคลียส ก็แสดงมันออกมา “เรามีตัวชี้บอกบางอย่าง ของพฤติกรรมคล้ายคลึงกันในนิวเคลียสออกซิเจน-26 และเรา วางแผนจะศึกษาระบบที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่านี้” เธอกล่าว “นี่เป็นวิธีเดียวที่จะใช้การค้นพบใหม่นี้ มาทำให้สาขานี้ก้าวหน้าขึ้น และปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับนิวเคลียสให้เพิ่มมากขึ้น”

งานวิจัยชิ้นนี้มีรายละเอียดใน Physical Review Letters.

จากเรื่อง Dineutron emission seen for the first time โดย Jon Cartwright บนเว็บไซต์ physicsworld.com วันที่ 14 มีนาคม 2012