นิวตริโนอนุภาคลึกลับจากดวงอาทิตย์

นิวตริโน…อนุภาคลึกลับจากดวงอาทิตย์ เราจะแน่ใจได้อย่างไรว่าใจกลางของดวงอาทิตย์เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจริงๆ ไม่ได้เกิดจากกระบวนการอื่น?

ค้นหา

ทฤษฎีบอกเราว่าพลังงานแสงที่เกิดใจกลางดวงอาทิตย์นั้นวิ่งชนกับอนุภาคต่างๆไปมาทั้งอิเล็กตรอนและนิวเคลียสนานโข ดังนั้นกว่าจะออกมาถึงผิวดวงอาทิตย์ก็เกิดการเปลี่ยนแปลงไปมากแล้ว แต่มีอนุภาคชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ แต่สามารถทะลุดวงอาทิตย์ออกมาถึงผิวหน้าได้ในพริบตา

มันคือ นิวตริโน ( neutrino) นักฟิสิกส์พบว่าปฏิกิริยาฟิวชันที่แกนกลางดวงอาทิตย์จะปลดปล่อยอนุภาคนิวตริโนออกมาจำนวนหนึ่ง ซึ่งอนุภาคเหล่านี้จะวิ่งทะลุผิวดวงอาทิตย์ออกมาด้วยความเร็วสูงโดยแทบจะไม่ชนกับอะไรเลย เนื่องจากนิวตริโนไม่มีประจุไฟฟ้า ทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไม่สามารถส่งอิทธิพลใดๆต่อมันได้ ดังนั้นมันจะวิ่งไปโดยไม่ “ชน” กับประจุใดๆ นอกจากนี้ในสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังเชื่อว่า นิวตริโนไม่มีมวล ดังนั้นมันจึงไม่ถูกมวลสารใดๆดึงดูดจนการเปลี่ยนเส้นทางอีกด้วย

มีเพียงแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนเท่านั้นที่มันยอมมีปฏิสัมพันธ์ด้วย

(ปัจจุบันนักฟิสิกส์พบว่านิวตริโนมีมวล แต่น้อยมากๆ น้อยจนสามารถประมาณเป็นศูนย์ได้ในหลายๆกรณี)

แบบจำลองใจกลางของดวงอาทิตย์บอกเราว่าจะมีนิวตริโนจำนวนหนึ่งเกิดขึ้นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ในปฏิกิริยาฟิวชันแล้วพวกมันจะวิ่งทะลุดวงอาทิตย์ออกมาทุกทิศทางโดยรอบ เมื่อเหล่านิวตริโนเดินทางมาถึงโลกมันจะทะลุผ่านโลกเราไปอย่างรวดเร็ว แน่นอนว่าในเมื่อมันทะลุผ่านโลกหนาๆได้มันย่อมทะลุผ่านร่างกายของเราด้วยไม่ว่าเราจะอยู่ส่วนไหนของโลกซึ่งใน 1วินาทีนิวตริโนละราวๆ หนึ่งล้านล้านตัวจะทะลุผ่านตัวเราโดยไม่ทำปฏิกิริยากับร่างกายเราเลย

การตรวจจับนิวตริโนจึงเป็นเรื่องยากเย็นอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม ด้วยพลังแห่งทฤษฎีทำให้นักฟิสิกส์สามารถคำนวณได้ว่านิวตริโนที่วิ่งมาด้วยพลังงานเหมาะๆค่าหนึ่งจากดวงอาทิตย์สามารถถูกตรวจจับผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เหมาะสมได้ ช่วงปลายปี 1960 Raymond Davis, Jr. นักวิทยาศาสตร์ผู้เก่งกาจฟิสิกส์และเคมีใช้สาร perchloroethylene (C2Cl4 ) ในสถานะของเหลวปริมาณ 100,000 แกลลอน(เกือบสามแสนแปดหมื่นลิตร ) บรรจุไว้ในแทงค์ทรงกระบอกขนาดใหญ่ที่มีความยาวประมาณ 14 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลางทรงกระบอกราวๆ 6 เมตรเพื่อใช้ในการตรวจจับนิวตริโน(รูป1)

สารดังกล่าวเป็นสารเคมีที่สามารถละลายสารอินทรีย์(สิ่งสกปรก)ได้ดีและไม่ลุกติดไฟ เราจึงนิยมใช้ผสมกับสารอื่นเพื่อใช้ในงานซักแห้ง นิวตริโนที่ออกมาจากดวงอาทิตย์จะพุ่งเข้าทำปฏิกิริยานิวเคลียร์กับอะตอมของคลอรีน เปลี่ยนอะตอมของคลอรีนให้กลายเป็นอาร์กอนกัมมันตรังสีซึ่งเราสามารถตรวจจับได้

การทดลองนี้ถูกเรียกว่า Homestake experiment ซึ่ง Homestake เป็นชื่อเหมืองที่ใช้ในการทดลอง ผลลัพธ์ที่ออกมาทำให้นักฟิสิกส์ตกตะลึงจนถึงปวดหัว

ปริศนาเกิดขึ้นเมื่อจำนวนนิวตริโนที่ถูกตรวจจับได้ในการทดลอง มีน้อยกว่าที่ควรจะเป็น!! นักฟิสิกส์เรียกปริศนานี้ว่า ปัญหานิวตริโนของดวงอาทิตย์ ( Solar neutrino problem)

ย้อนเวลากลับไปเมื่อสองร้อยห้าสิบปีก่อน นักวิทยาศาสตร์เอกของโลกอย่าง เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล(Sir William Herschel) เป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับการค้นพบสิ่งสำคัญรอบตัว โดยใช้ทักษะที่เรียกว่า การตั้งคำถามและการสังเกตอย่างละเอียด

โดยทั่วไปคนจะรู้จักวิลเลียม เฮอร์เชล ในฐานะนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษผู้ค้นพบดาวยูเรนัส แต่ในความเป็นจริงแล้วเขาค้นพบอย่างอื่นอีกมากมายรวมทั้งแสงที่มองไม่เห็นจากดวงอาทิตย์อีกด้วย จำได้ไหมครับ

การทดลองที่เซอร์ไอแซค นิวตัน แยกแสงอาทิตย์ออกเป็นสีรุ้งด้วยแท่งแก้ว ในขณะนั้นนิวตันสรุปว่าแสงสีขาวของดวงอาทิตย์ที่เราเห็นเกิดจากแสงสีรุ้งรวมกัน แต่วิลเลียม เฮอร์เชลไปได้ไกลกว่านั้น

เขาเริ่มจากการตั้งคำถามที่ไม่ธรรมดาในเรื่องธรรมดาที่ใครๆก็รู้อย่างเรื่องที่ว่าแสงอาทิตย์นั้นร้อน คำถามอันเฉียบคมของเขาคือ “แล้วแสงสีไหนล่ะ ที่ร้อนที่สุด?”

หมายความว่าแสงสีใดถ่ายเทพลังงานทำให้วัตถุร้อนขึ้นได้มากที่สุด

เฮอร์เชลทำการทดลองโดยต่อยอดจากการทดลองของนิวตัน เขาแยกแสงอาทิตย์ออกเป็นรุ้งด้วยแท่งแก้ว จากนั้นเอาเทอร์โมมิเตอร์มาวางไว้ตามสีต่างๆเพื่อวัดอุณหภูมิโดยไม่ลืมวางเทอร์โมมิเตอร์อีกแท่งไว้แถวๆนั้นเพื่อวัดอุณหภูมิห้องเป็นตัวเปรียบเทียบว่าอุณหภูมิจากแสงสีต่างๆทำให้เทอร์โมมิเตอร์ร้อนขึ้นแค่ไหน(รูป 1)

ฟังดูเป็นการทดลองง่ายๆที่ใครก็ทำได้ แต่การตั้งคำถามคมๆแบบนี้ไม่ใช่ของง่าย เฮอร์เชลพบว่าแสงสีแดงร้อนสุด ส่วนแสงสีม่วงนั้นร้อนน้อยที่สุด แต่การค้นพบดังกล่าวยังไม่ใช่เรื่องตกใจ เรื่องชวนตกใจคือ เขาพบว่าเทอร์โมมิเตอร์ที่วางไว้ข้างๆแสงสีแดงเพื่อวัดอุณหภูมิห้องกลับร้อนยิ่งกว่าแสงสีแดงเสียอีก!! (รูป 2)

การค้นพบนี้ทำให้เขามึนตึ้บ ทำไมบริเวณข้างๆสีแดงจึงร้อนที่สุดไปได้

เฮอร์เชลทำการทดลองซ้ำอีกอย่างรัดกุมจนสรุปได้ว่า แสงอาทิตย์นอกจากจะประกอบไปด้วยสีรุ้งแล้วยังมีแสงที่มองไม่เห็นที่ถูกแท่งแก้วแยกออกมาอยู่ข้างๆแสงสีแดงอีกด้วย เขาจึงเป็นมนุษย์คนแรกที่ค้นพบอินฟราเรด(infrared radiation) แสงที่มองไม่เห็นที่มากับดวงอาทิตย์นั่นเอง

ที่เล่าเรื่องนี้ให้ฟังเพราะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์บางทีก็ไม่ได้ยึดเอาผลการทดลองเป็นคำตอบในทันที

กลับมาที่ปริศนานิวตริโนที่มาจากดวงอาทิตย์ ในเมื่อนักวิทยาศาสตร์พบว่าการทดลองตรวจจับนิวตริโนได้น้อยกว่าที่ทฤษฎีทำนายไว้ราวๆหนึ่งในสาม(บางการทดลองพบว่าน้อยกว่าราวๆครึ่งหนึ่ง) หลายๆคนคงคิดว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ควรทำคือ ปฏิเสธทฤษฎีเกี่ยวกับการปลดปล่อยพลังงานของดวงอาทิตย์ทันทีเพราะทฤษฎีไม่ตรงกับผลการทดลอง

ทว่าเหล่านักวิทยาศาสตร์ค่อนข้างมั่นใจกับทฤษฎีการกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์มากเสียจนพวกเขาส่วนหนึ่งยังเลือกเชื่อทฤษฎีต่อไป แต่ไปมองหาว่ามีจุดไหนบ้างที่พวกเขาลืมมองหรือมองไม่เห็น

ในระยะแรกนักดาราศาสตร์บางส่วนพยายามปรับแบบจำลองการกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์ พวกเขาคิดว่าบางทีอุณหภูมิและความดันที่ใจกลางอาจจะไม่ใช่อย่างที่คิดกันไว้ก็ได้

ทว่าสมมติฐานใหม่ๆก็มีปัญหาคือ 1.มันให้ผลไม่ตรงกับการตรวจวัดคลื่นความดันที่สั่นสะเทือนอยู่ในดวงอาทิตย์ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดขึ้นใกล้ๆผิวของดวงอาทิตย์ 

 รูป 3 เป็นเป็นการจำลองคลื่นชนิดหนึ่ง(P-mode wave)ที่สั่นสะเทือนภายในและกระจายมาถึงผิวหน้าของดวงอาทิตย์ด้วยคอมพิวเตอร์ เราเรียกศาสตร์ที่ศึกษาคลื่นความดันในดวงอาทิตย์ว่า Helioseismology ซึ่งน่าสนใจมากโอกาสหน้าจะเล่าให้ฟังในนะครับ

2.มันให้ผลไม่ตรงกับผลการตรวจจับนิวตริโนใหม่ๆที่ถูกพัฒนาขึ้น

นอกจากนี้นักดาราศาสตร์บางคนเชื่อว่าการคำนวณด้วยแบบจำลองดวงอาทิตย์ที่ผ่านมาอาจมีข้อผิดพลาด ทำให้เกิดการคำนวณใหม่ซ้ำแล้วซ้ำอีกจนค่าที่ได้แม่นยำขึ้น แต่ก็ไม่พบสาเหตุของความคลาดเคลื่อน

ปัญหานิวตริโนที่หายไปเป็นปริศนาค้างอยู่นานนับยี่สิบปี แต่ในที่สุดมันก็ถูกแก้ด้วยความเข้าใจธรรมชาติของนิวตริโน นักฟิสิกส์พบว่านิวตริโนไมได้มี แค่ชนิดเดียว แต่มีถึงสามชนิด

-นิวตริโนอิเล็กตรอน 

-นิวตริโนมิวออน 

-นิวตริโนทาว 

 

โดยแต่ละชนิดสามารถเปลี่ยนแปลงไปมาหากันได้ นิวตริโนที่ออกมาจากดวงอาทิตย์เป็นนิวตริโนอิเล็กตรอน แต่กว่าจะเดินทางมาถึงโลก พวกมันเกิดการเปลี่ยนเป็นนิวตริโนชนิดอื่นไปบ้าง ทำให้นิวตริโนที่เดินทางมาถึงโลกมีทั้งสามแบบ แต่นิวตริโนมิวออนและนิวตริโนทาวออนนั้นไม่ถูกตรวจจับโดยการทดลองที่มีในขณะนั้น ทั้งการทดลองของ Davis ที่ใช้สารคลอรีน,การทดลองทีใช้แกลเลียมในรัสเซียและอิตาลี (การเปลี่ยนแปลงชนิดของนิวตริโนถูกตรวจจับครั้งแรกที่ญี่ปุ่น ในการทดลอง Kamiokande ) ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงตรวจจับนิวตริโนได้น้อยกว่าที่ควรจะเป็นนั่นเอง เรื่องนี้แสดงให้เห็นถึงข้อคิดอย่างหนึ่งในขณะทำการทดลองคือ หากผลการทดลองไม่ตรงกับทฤษฎี การรายงานผลอย่างตรงไปตรงมาตามความเป็นจริงนั้นดีกว่าการพยายาม “ดัด” ผลการทดลองให้กราฟออกมาสวยและตรงกับทฤษฎี เพราะบางทีเราอาจค้นพบสิ่งใหม่อยู่ก็ได้ ****หมายเหตุ การตรวจจับนิวตริโนเป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจมาก 

ซูเปอร์โนวา 1987 A คือการระเบิดของดาวฤกษ์อันรุนแรงที่เกิดบริเวณขอบของเนบิวลาทารันทูลาในกาแล็กซีเมฆแมคเจนแลนใหญ่ ก่อนที่แสงจากการระเบิดจะเดินทางมาถึงโลก นักวิทยาศาสตร์พบว่าเครื่องตรวจจับนิวตริโนจากหลายแห่งบนโลกสามารถจับนิวตริโนได้ 

เนื่องจากนิวตริโนเป็นอนุภาคที่เกิดขึ้นในขณะที่แกนดาวฤกษ์กำลังยุบตัวลง ส่วนแสงจะออกมาจากซูเปอร์โนวาหลังจากการยุบตัวสร้างคลื่นกระแทก แล้วคลื่นกระแทกเดินทางมายังผิวดาว นี่เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจจับนิวตริโนได้จากการระเบิดของดาวฤกษ์ ก่อให้เกิดสาขาใหม่ทางดาราศาสตร์ที่เรียกว่า Neutrino astronomy ซึ่งนับว่ายังใหม่มากๆ