นิวตริโน

นิวทริโน (อังกฤษ: Neutrino, ใช้สัญลักษณ์ ${\displaystyle \nu }$) เป็นอนุภาคเฟอร์มิออน (อนุภาคมูลฐานที่มีเลขสปิน  1 /2) ที่มีอันตรกิริยาผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อนและแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ชื่อของนิวทริโนนั้นมาจากความเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีมวลน้อยมากซึ่งเคยถูกเชื่ออยู่นานว่ามีมวลเป็นศูนย์ ถ้าไม่รวมอนุภาคไม่มีมวล นิวทริโนถือว่ามีมวลนิ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เนื่องจากอันตรกิริยาอย่างอ่อนนั้นมีระยะที่ส่งผลของแรงสั้นมากและความโน้มถ่วงก็มีค่าที่น้อยมากเนื่องจากมวลที่เล็กน้อยของนิวทริโน อีกทั้งนิวทริโนยังไม่สามารถสัมผัสได้ถึงอันตรกิริยาอย่างเข้ม ดังนั้นนิวทริโนจึงเคลื่อนที่ทะลุผ่านสสารทุกชนิดโดยที่ไม่สามารถถูกตรวจจับได้

นิวทริโน/ปฏินิวทริโน

การใช้ห้องฟองไฮโดรเจน (อังกฤษ: hydrogen bubble chamber) ตรวจจับนิวทริโนเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 13 พฤศจิกายน 1970 ที่ห้องทดลองแห่งชาติที่ Argonne นิวทริโนเข้าชนโปรตอนในอะตอมของไฮโดรเจน การปะทะกันเกิดขึ้นที่จุดที่เห็นได้เป็นสามรอยกระจายออกมาทางด้านขวาของภาพ
	อนุภาคมูลฐาน
	เฟอร์มิออน
ชั่วรุ่น	ที่ 1, ที่ 2 และ ที่ 3
อันตรกิริยาพื้นฐาน	อันตรกิริยาอย่างอ่อน และ แรงโน้มถ่วง
สัญลักษณ์	Ve, Vμ, VT, Ve, Vμ, VT
ปฏิยานุภาค	ปฏินิวทริโนมีความเป็นไปได้ที่จะเหมือนนิวทริโน (ดู ).
ทฤษฎีโดย	Ve (Electron neutrino): Wolfgang Pauli (1930) Vμ (Muon neutrino): ปลายปี 1940s VT (Tau neutrino): กลางปี 1970s
ค้นพบโดย	Ve: , (1956) Vμ: , และ (1962) VT: (2000)
จำนวนชนิด	3 ชนิด – อิเล็กตรอนนิวทริโน, มิวออนนิวทริโน และเทานิวทริโน
มวล	น้อย, แต่ไม่เป็นศูนย์
ประจุไฟฟ้า	0
สปิน	1/2
	−1
	−1
	−3

นิวทริโนทั้งสามเฟลเวอร์ถูกสร้างขึ้นมาจากอันตรกิริยาอย่างอ่อน ประกอบด้วย นิวทริโนอิเล็กตรอน (${\displaystyle \nu _{e}}$) นิวทริโนมิวออน (${\displaystyle \nu _{\mu }}$) และนิวทริโนเทา (${\displaystyle \nu _{\tau }}$) แต่ละเฟลเวอร์จะมีค่าประจุเลปตอนเฉพาะของตัวเอง ถึงแม้ว่านิวทริโนจะถูกเชื่ออย่างนมนานว่าเป็นอนุภาคไม่มีมวล แต่ในปัจจุบันทราบแล้วว่าทั้งสามเฟลเวอร์มีมวลที่แตกต่างกัน (นิวทริโนชนิดที่มีมวลน้อยที่สุดสามารถมีค่าเป็นศูนย์ได้ ) แต่ว่าค่ามวลทั้งสามไม่ได้สอดคล้องแบบเจาะจงกับทั้งสามเฟลเวอร์ กล่าวคือสถานะเฟลเวอร์หนึ่งของนิวทริโนที่ถูกสร้างจากอันตรกิริยาแบบอ่อนเป็นการผสมรวมกันของสถานะมวลของนิวทริโนทั้งสามชนิด (การซ้อนทับเชิงควอนตัม) นิวทริโนสามารถกวัดแกว่ง (Oscillate) ไปมาระหว่างเฟลเวอร์ได้เมื่อมีการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น นิวทริโนอิเล็กตรอนที่ถูกสร้างจากการสลายให้อนุภาคบีตาเมื่อเคลื่อนที่มายังเครื่องตรวจจับ ตัวเครื่องอาจจะจับได้เป็นนิวทริโนมิวออนหรือนิวทริโนเทาก็ได้ ในปัจจุบันถึงปี ค.ศ.2022 ยังไม่มีการทราบค่ามวลทั้งสามของนิวทริโน แต่การทดลองในห้องปฏิบัติการณ์และการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ได้ให้คำตอบของค่ามวลสูงสุดที่เป็นไปได้ของนิวทริโนอิเล็กตรอน และผลรวมของมวลทั้งสามเฟลเวอร์ (< 2.14×10^-37 กิโลกรัม)

แต่ละเฟลเวอร์ของนิวทริโนจะมีปฏิอนุภาคของตัวเอง เรียกว่าปฏินิวทริโน (Antineutrino) ซึ่งมีค่าสปิน  1 /2 และไม่มีประจุไฟฟ้า ปฏินิวทริโนแตกต่างจากนิวทริโนตรงที่มีเครื่องหมายของตัวเลขเลปตอนและ Weak isospin ตรงข้ามกัน และมีไคแรลลิตี (Chirality) ถนัดขวา เพื่อที่จะอนุรักษ์ตัวเลขเลปตอนรวม (ในการสลายตัวให้อนุภาคบีตา) นิวทริโนอิเล็กตรอนจะต้องมีโพซิตรอนหรือปฏิอนุภาคของนิวทริโนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นมาพร้อมกัน ในทางตรงกันข้ามปฏินิวทริโนอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นมาพร้อมกับอิเล็กตรอนหรือนิวทริโนอิเล็กตรอนเท่านั้น

นิวทริโนสามารถถูกสร้างขึ้นมาได้จากหลายกระบวนการการสลายตัว รายการต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของการสร้างนิวทริโน

• การสลายให้อนุภาคบีตาของนิวเคลียสหรือแฮดรอน
• ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธรรมชาติ เช่น ปฏิกิริยาที่ใจกลางดาวฤกษ์
• ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประดิษฐ์ในเตาปฏิกรณ์ ระเบิดปรมาณู หรือเครื่องเร่งอนุภาค
• ในช่วงการเกิดมหานวดารา (Supernova)
• ในช่วงที่ดาวนิวตรอนหมุนช้าลง
• รังสีคอสมิกหรืออนุภาคที่ถูกเร่งชนเข้ากับอะตอม

นิวทริโนที่ถูกตรวจจับได้บนโลกส่วนใหญ่มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์ ใน 1 วินาทีจะมีนิวทริโนสุริยะจำนวน 65 พันล้านตัว (6.5×10¹⁰) ตกกระทบพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร นิวทริโนสามารถถูกใช้ในเพื่อสำรวจภายในของโลกได้

ประวัติ

ข้อเสนอของเพาลี

นิวทริโน ถูกตั้งสมมติฐานครั้งแรกโดย โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) ในปี 1930 เพื่ออธิบายว่าในการสลายให้อนุภาคบีตา พลังงาน โมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมสปินควรจะเป็นตามกฎการอนุรักษ์ ในทางตรงกันข้ามกับนีลส์ บอร์ผู้เสนอฟิสิกส์ของกฎการอนุรักษ์ในเชิงสถิติเพื่อที่จะอธิบายสเปกตรัมของพลังงานที่ต่อเนื่องในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตา เพาลีตั้งสมมติฐานถึงอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจพบได้และเรียกมันว่า "นิวตรอน" เพาลีใช้คำลงท้าย -ออน เพื่อให้เหมือนกับโปรตอนและอิเล็กตรอน เพาลีมองว่าอนุภาคตัวใหม่นี้ถูกปลดปล่อยออกมาจากนิวเคลียสพร้อมกันกับอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตาและมีมวลใกล้เคียงกับอิเล็กตรอน

เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ได้ค้นพบอนุภาคในนิวเคลียสและตั้งชื่อมันว่านิวตรอนในปี ค.ศ.1932 ซึ่งในตอนนั้นยังนิวทริโนยังใช้ชื่อว่านิวตรอนอยู่ คำว่า"นิวทริโน" ปรากฎขึ้นมาในคำศัพท์วิทยาศาสตร์โดยเอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ในงานประชุมวิชาการที่ปารีสในเดือนกรกฎาคมปี ค.ศ.1932 และที่งานประชุมวิชาการโซลเวย์ในเดือนตุลาคมปี ค.ศ.1933 ซึ่งเพาลีก็เห็นด้วยกับชื่อนี้ ชื่อนิวทริโนซึ่งเป็นภาษาอิตาลีแปลว่า เป็นกลางขนาดเล็ก ๆ ได้ถูกตั้งขึ้นมาอย่างติดตลกโดยเอโดอาร์โด อมาลดี (Edoardo Amaldi) ในขณะที่เขาพูดคุยกับแฟร์มีที่สถาบันฟิสิกส์ปานิสเปอร์นา (Institute of Physics of via Panisperna) เพื่อให้ชื่อต่างจากอนุภาคมวลหนักที่แชดวิกค้นพบ

ในทฤษฎีการสลายตัวให้อนุภาคบีตาของแฟร์มี นิวตรอนสามารถสลายตัวให้โปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคมวลเบาที่เป็นกลาง (ปัจจุบันเรียกว่านิวทริโนอิเล็กตรอน)

${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

งานวิจัยของแฟร์มีในปี ค.ศ.1934 ได้ผนวกทฤษฎีนิวทริโนของเพาลี ทฤษฎีโพซิตรอนของดิแรกและแบบจำลองนิวตรอน-โปรตอนของไฮเซนแบร์คเข้าด้วยกันแล้วให้พื้นฐานทางทฤษฎีที่แข็งแกร่งเพื่อใช้สำหรับการทดลอง วารสาร Nature ได้ปฏิเสธงานวิจัยของแฟร์มีพร้อมบอกว่าทฤษฎีนี้อยู่ห่างไกลจากความเป็นจริงเกินไป แฟร์มีจึงได้เปลี่ยนมาส่งตีพิมพ์ในวารสารในอิตาลีแทนซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในเวลาต่อมา แต่ว่าทฤษฎีนี้ไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควรจึงทำให้แฟร์มีให้ไปให้ความสนใจในฟิสิกส์เชิงการทดลองแทน^: 24

ในปี ค.ศ.1934 มีการหลักฐานจากการทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดของบอร์ที่ว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานใช้งานไม่ได้สำหรับการสลายตัวให้อนุภาคบีตา ในงานประชุมวิชาการโซลเวย์ในปีนั้น ได้มีการนำเสนอการวัดค่าสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอน) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสเปกตรัมพลังงานมีการกระจายที่ต่อเนื่องและมีค่าสูงสุดค่าหนึ่ง ถ้ากฎอนุรักษ์พลังงานถูกต้องสเปกตรัมพลังงานจะไม่เป็นไปตามที่วัดค่าได้ แต่ในความเป็นจริงมันได้มีอนุภาคตัวหนึ่งพาพลังงานบางส่วนลับหายไป และถูกเรียกว่านิวทริโน

การตรวจจับโดยตรง

เฟรเดอริก เรเนสและไคลด์ โคแวนผู้นำในการค้นหานิวทริโน ค.ศ.1956

ในปี 1942 Wang Ganchang เป็นคนแรกที่เสนอให้ใช้การจับยึดอิเล็กตรอนในการตรวจวัดนิวทริโน , , Francis B. "Kiko" Harrison Herald, W. Kruse และ Austin D. McGuire ได้ตีพิมพ์การยืนยันว่าพวกเขาได้ตรวจจับนิวทริโนได้สำเร็จลงในวารสารวิทยาศาสตร์ฉบับวันที่ 20 กรกฎาคม 1956 ผลงานนี้ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลใน 40 ปีต่อมา

การทดลองนี้ในปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อการทดลองของโคแวน-เรเนส ปฏินิวทริโนที่ถูกสร้างในเตาปฏิกรณ์ด้วยกระบวนการการสลายให้อนุภาคบีตาทำปฏิกิริยากับโปรตอนแล้วให้นิวตรอนและโพซิตรอน ดังสมการ

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}}$

โพซิตรอนเมื่อเจอกับอิเล็กตรอนจะเกิดการประลัยแล้วให้รังสีแกมมาซึ่งสามารถถูกตรวจจับได้ ส่วนนิวตรอนสามารถถูกตรวจวัดได้จากกระบวนการจับยึดนิวตรอนซึึ่งปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมาให้ตรวจจับได้ ทั้งการประลัยโพซิตรอนและการจับยึดนิวตรอนที่เกิดขึ้นพร้อมกันนี้ให้สัญญาณว่ามีปฏินิวทริโนอยู่จริง

ในเดือนกุมภาพันธ์ปี 1965 นิวทริโนตัวแรกในธรรมชาติได้ถูกค้นพบในห้องที่ถูกเตรียมการไว้อย่างดีลึกจากผิวดิน 3 กิโลเมตรในเหมืองแร่ใกล้กับบอกสเบิร์กประเทศแอฟริกาใต้

เฟลเวอร์นิวทริโน

ปฏินิวทริโนที่ถูกค้นพบโดยโคแวนและเรเนสเป็นปฏิอนุภาคของนิวทริโนอิเล็กตรอน

ในปี ค.ศ.1962 ลีออน เลเดอร์แมน (Leon M. Lederman) เมลวิน ชวาร์ตซ์ (Melvin Schwartz) แจ็ค สไตน์เบอร์เกอร์ (Jack Steinberger) ได้แสดงให้เห็นว่าได้มีนิวทริโนอีกชนิดหนึ่งเรียกว่านิวทริโนมิวออน ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1988

เมื่ออนุภาคเทา เลปตอนรุ่นที่สามถูกค้นพบในปี ค.ศ.1975 ที่ศูนย์เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด (Stanford Linear Accelerator Center) เทาถูกทำนายว่าจะต้องมีความเกี่ยวข้องกับนิวทริโน (นิวทริโนเทา) หลักฐานชิ้นแรกสำหรับนิวทริโนรุ่นที่สามมาจากการสังเกตพลังงานและโมเมนตัมที่หายไปในกระบวนการสลายให้เทาซึ่งคล้ายกับการสลายตัวให้อนุภาคบีตาที่นำไปสู่การค้นพบนิวทริโนอิเล็กตรอน การตรวจเจอนิวทริโนเทาถูกประกาศครั้งแรกในปี ค.ศ.2000 โดย DONUT collaboration ที่แล็บเฟอร์มี และการมีอยู่ของนิวทริโนเทาได้รับการอ้างอิงทั้งในทางทฤษฎีและการทดลองโดย Large Electron-Positron Collider

ปัญหานิวทริโนสุริยะ

ในปี ค.ศ.1960 การทดลองใหม่ที่มีชื่อเสียงรู้จักกันในชื่อการทดลองโฮมสเตค (Homestake experiment) ได้ทำการวัดฟลักซ์ของนิวทริโนอิเล็กตรอนที่มาจากแก่นกลางของดวงอาทิตย์ได้เป็นครั้งแรกและพบว่าค่าที่วัดได้มีค่าเพียงหนึ่งในสามของค่าที่ทำนายจากแบบจำลองสุริยะมาตรฐาน (Standard Solar Model) ค่าความคลาดเคลื่อนนี้เรียกว่าปัญหานิวทริโนสุริยะ ปัญหานี้ไม่ได้รับการค้นหาคำตอบเป็นเวลากว่าสามสิบปี ในท้ายที่สุด ปริมาณฟลักซ์ของนิวทริโนที่มาจากแก่นกลางดวงอาทิตย์และที่วัดได้ในการทดลองได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง หมายความว่าความคลาดเคลื่อนนี้ตัวนิวทริโนอาจจะมีฟิสิกส์ที่ซับซ้อนมากกว่าที่เคยรู้จัก มีการตั้งสมมติฐานว่านิวทริโนทั้งสามรุ่นมีมวลไม่เป็นศูนย์ มีค่ามวลต่างกันและสามารถกวัดแกว่งไปมาระหว่างเฟลเวอร์ขณะที่นิวทริโนเคลื่อนที่มายังโลก ภายใต้สมมติฐานใหม่นี้ จึงต้องมีการคิดรูปแบบการทดลองออกมาใหม่ ถือเป็นการเปิดประตูสู่การวิจัยในสาขาใหม่และยังคงดำเนินการเรื่อยมาจนทุกวันนี้ คำอธิบายปรากฏการณ์นี้นำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ถึงสองครั้งในที่สุด รางวัลแรกมอบให้กับเรย์มอนด์ เดวิส (Raymond Davis) ผู้นำในการทดลองโฮมสเตคและมาซาโตชิ โคชิบะ (Masatoshi Koshiba) แห่งคามิโอคันเดะผู้ที่ทดลองเพื่อยืนยันในสมมติฐาน และอีกหนึ่งรางวัลมอบให้กับทาคาอากิ คาจิตะ (Takaaki Kajita) แห่งซูเปอร์คามิโอคันเดะและอาเธอร์ แมคโดนัลด์ (Arthur B. McDonald) แห่งหอสังเกตการณ์นิวทริโนซัดเบอรี (Sudbury Neutrino Observatory) ที่ยืนยันการมีอยู่ของนิวทริโนทั้งสามเฟลเวอร์

หมายเหตุ

อ้างอิง

1. Close, Frank (2010). Neutrinos (softcover ed.). Oxford University Press. ISBN .
2. Jayawardhana, Ray (2015). he Neutrino Hunters: The chase for the ghost particle and the secrets of the universe (softcover ed.). Oneworld Publications. ISBN .
3. Mertens, Susanne (2016). "Direct neutrino mass experiments". . 718 (2): 022013. :1605.01579. Bibcode:2016JPhCS.718b2013M. doi:10.1088/1742-6596/718/2/. S2CID 56355240.
4. Nakamura, Kengo; Petcov, Serguey Todorov (2016). "Neutrino mass, mixing, and oscillations" (PDF). . 40: 100001.
5. Boyle, Latham; Finn, Kiernan; Turok, Neil (2022). "The Big Bang, CPT, and neutrino dark matter". Annals of Physics. 438: 168767. :1803.08930. Bibcode:2022AnPhy.43868767B. doi:10.1016/j.aop.2022.168767. S2CID 119252778.
6. Grossman, Yuval; (1997). "Flavor oscillations from a spatially localized source — A simple general treatment". . 55 (5): 2760. :hep-ph/9607201. Bibcode:1997PhRvD..55.2760G. doi:10.1103/PhysRevD.55.2760. S2CID 9032778.
7. Bilenky, Samoil M. (2016). "Neutrino oscillations: From a historical perspective to the present status". . 908: 2–13. :1602.00170. Bibcode:2016NuPhB.908....2B. doi:10.1016/j.nuclphysb.2016.01.025. S2CID 119220135.
8. Aker, M.; Mertens, S.; Schlösser, M.; และคณะ (KATRIN Collaboration) (February 2022). "Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity". . 18: 160–166. doi:10.1038/s41567-021-01463-1. ISSN 1745-2473. ISSN 1745-2481 (online)
9. "Ghostlike neutrinos". particlecentral.com. Scottsdale, AZ: Four Peaks Technologies. สืบค้นเมื่อ 24 April 2016.
10. "Conservation of lepton number". HyperPhysics / particles. Georgia State University. สืบค้นเมื่อ 24 April 2016.
11. Armitage, Philip (2003). "Solar neutrinos" (PDF). JILA. Boulder, CO: University of Colorado. สืบค้นเมื่อ 24 April 2016.
12. ; Serenelli, Aldo M.; (2005). "New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes". . 621 (1): L85–L88. :astro-ph/0412440. Bibcode:2005ApJ...621L..85B. doi:10.1086/428929. S2CID 1374022.
13. Millhouse, Margaret A.; Lipkin, David C. (2013). "Neutrino tomography". . 81 (9): 646–654. Bibcode:2013AmJPh..81..646M. doi:10.1119/1.4817314.
14. M. G. Aartsen; และคณะ (The IceCube-PINGU Collaboration) (2014). The Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) (Report). Letter of Intent. :1401.2046.
15. (1978). "The idea of the neutrino". . 31 (9): 23–28. Bibcode:1978PhT....31i..23B. doi:10.1063/1.2995181.
16. (1984). "From the discovery of the neutron to the discovery of nuclear fission". . 111 (1–4): 306. Bibcode:1984PhR...111....1A. doi:10.1016/0370-1573(84)90214-X.
17. Fermi, Enrico (1934). "Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I" [Search for a theory of β-decay. I]. (ภาษาเยอรมัน). 88 (3–4): 161–177. Bibcode:1934ZPhy...88..161F. doi:10.1007/BF01351864. S2CID 125763380.
18. Fermi, Enrico; Wilson, Fred L. (1968). แปลโดย Wilson, Fred L. "Fermi's theory of beta decay". . 36 (12): 1150. Bibcode:1968AmJPh..36.1150W. doi:10.1119/1.1974382.
19. Close, Frank (2012). Neutrino. . ISBN .
20. (2005). "The neutrino – its past, present, and future". SFIN (Institute of Physics, Belgrade) Year XV. A: Conferences. 2 (2002): 3–59. :physics/0503172. Bibcode:2005physics...3172A. No. A (00).

แหล่งข้อมูลอื่น

• NEUTRINO UNBOUND: On-line review and e-archive on Neutrino Physics and Astrophysics
• Nova: The Ghost Particle: Documentary on US public television from WGBH

อ้างอิงผิดพลาด: มีป้ายระบุ <ref> สำหรับกลุ่มชื่อ "lower-alpha" แต่ไม่พบป้ายระบุ <references group="lower-alpha"/> ที่สอดคล้องกัน