นิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 199 มีนาคม - เมษายน 2559

46 / 62

46
นิตยสาร สสวท
ประวัติ ารค้นพบนิวตริโน
นิวตริโนคืออะไร มีความส�ำคัญอย่างไรกับวงการฟิสิกส์จึงส่งผลให้นักฟิสิกส์ทั้ง 2 ท่านได้รับรางวัลโนเบล และที่
ส�ำคัญยิ่งกว่านั้นคือ ความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับนิวตริโนมีผลกระทบอย่างไรกับชีวิตคนทั่วไป บทความนี้จะให้ค�ำตอบ
ของค� ำถามข้างต้นโดยย่อ พร้อมประวัติความเป็นมาของการค้นพบนิวตริโนและการทดลองที่น�ำไปสู่รางวัลโนเบลสาขา
ฟิสิกส์ประจ�ำปี 2015
ในปี ค.ศ. 1914 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick)
นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ท� ำการทดลองเกี่ยวกับการสลาย
ของธาตุกัมมันตรังสีและได้พบว่าในกระบวนการสลายแบบ
ให้อนุภาคบีตา (Beta decay) มีพลังงานส่วนหนึ่งหายไป
ซึ่งไม่สอดคล้องกันกับกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม และกฎการ
อนุรักษ์พลังงาน จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1930 โวล์พกัง เพาลี
(Wolfgang Pauli) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียได้เสนอว่า พลังงาน
ส่วนที่หายไปนั้น เนื่องจากมีอนุภาคชนิดใหม่น� ำพลังงาน
ส่วนนี้ไป อนุภาคดังกล่าวไม่มีประจุและมีมวลน้อยมาก
ซึ่งสมมติฐานของเพาลีได้รับการสนับสนุนเป็นอย่างดีจาก
เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน โดย
แฟร์มีเรียกชื่ออนุภาคชนิดใหม่ที่เพาลีเสนอว่า “นิวตริโน”
(Neutrino) ซึ่งในภาษาอิตาลีแปลว่า “ตัวเล็กที่เป็นกลาง” เขียน
แทนด้วยสัญลักษณ์νµτ νµτ
→
_
e ν
e
_
νν
e ν
τ
µ ν
 ν
C 146 N e
+ +ˉ 147
และเรียกปฏิยานุภาคของนิวตริโนว่า
“แอนตินิวตริโน” (Antineutrino) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์
νµτ
_
e ν
_
νν
N e
+ +ˉ 147
แต่การตรวจวัดเพื่อยืนยันว่านิวตริโนมีอยู่จริงเป็นเรื่องที่
ยากมาก เพราะนิวตริโนแทบไม่มีอันตรกิริยา (Interaction)
กับสสารเกือบทุกชนิด ข้อเสนอของเพาลี จึงยังเป็นเพียงข้อ
เสนอที่ไม่มีการพิสูจน์เป็นระยะเวลากว่า 30 ปี
จนถึงปี ค.ศ 1956 คณะนักฟิสิกส์สัญชาติอเมริกัน
น�ำโดย ไคลด์ โควาน (Clyde Cowan) และ เฟเดอริก ไรนส์
(Frederick Reines) ได้ตรวจพบแอนตินิวตริโนเป็นครั้งแรก
จากการทดลองที่ออกแบบสุดพิเศษ โดยใช้ถังบรรจุน�้ำ
ขนาดยักษ์ไปติดตั้งไว้ใกล้ๆ กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ที่รัฐเซาท์แคโรไลนาประเทศสหรัฐอเมริกาการค้นพบแอนตินิวตริโน
ส่งผลให้ ไรนส์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1995
ในขณะที่โควานได้เสียชีวิตไปแล้วจึงไม่มีสิทธิรับรางวัล
แอนตินิวตริโนที่โควานและไรนส์ค้นพบ เป็น
“ปฏิยานุภาคของนิวตริโนอิเล็กตรอน” (
ν νµτ
→
_
e ν e ν
μ τ
µ ν
 ν
C 146 1 ) ส่วนนิวตริโน
อีก 2 ชนิด ได้แก่ “นิวตริโนมิวออน” (
νµτ νµτ
→
_
e ν
_
νν
e ν
μ τ
µ ν
 ν
C 146 N e
+ +ˉ 147 ) และ “นิวตริโนทาว”
( νµτ νµτ
→
_
e ν
_
e ν
_
νν
e ν
μ τ
µ ν
 ν
C 146 N e
+ +ˉ 147
) ได้รับการค้นพบในปี ค.ศ. 1962 จากการทดลองที่
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน (Brookhaven National
Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา และ ในปี ค.ศ. 2000
จากการทดลอง DONUT ( Direct O bservation of
the NU Tau) ที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติแฟร์มี
(Fermi National Accelerator Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา
ตามล�ำดับ
ารค้นพบว่า นิวตริโนเปลี่ยนชนิดได้
ในปีค.ศ. 1996 ที่จังหวัดคามิโอกะ ประเทศญี่ปุ่น
ทีมนักวิจัยที่น� ำโดย คาจิตะ ได้เริ่มด�ำเนินการตรวจวัด
นิวตริโน ที่มาจากชั้นบรรยากาศด้วยเครื่องตรวจวัด
Super-K หรือ Super-KamiokaNDE (ย่อมาจาก
Super-Kamioka Nucleon Decay Experiment)
ซึ่งมีส่ วนประกอบหลักคือ ถังน�้ำขนาดใหญ่ขนาด
เส้นผ่านศูนย์กลาง 39 เมตร สูง 42 เมตร ติดตั้งไว้
ใต้พื้นดินลึกกว่า 1 กิโลเมตร ภายในถังบรรจุด้วยน�้ำบริสุทธิ์
เป็นพิเศษ (ultra-pure water) ปริมาณกว่า 50,000 ตัน
และที่รอบๆ ผนังด้านในมีการติดตั้งตัวตรวจวัดแสง
กว่า 11,000 ตัว ส�ำหรับตรวจวัดสัญญาณที่บ่งบอกถึง
อันตรกิริยาระหว่างอะตอมของน�้ำกับนิวตริโนที่เกิดขึ้น
เมื่อนิวตริโนผ่านเข้ามาในถังน�้ำ ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 ลักษณะภายในของเครื่องตรวจวัดอนุภาคนิวตริโนซุปเปอร์คามิโอคานเดะ
(Super-Kamiokande) ที่จังหวัดคามิโอกะ เมืองฮิดะ ประเทศญี่ปุ่น
(ที่มา: และ )