เครื่อง ซุปเปอร์-คามิโอกันเดะ (カミオカンデ) หรือ Super-Kamiokande หรือ Super-K ของญี่ปุ่น ในจังหวัดกิฟุ สร้างชื่อเสียงอีกแล้ว โดยสามารถตรวจจับการมีอยู่ของอนุภาคแอนติ-นิวตริโน  ซึ่งถือกันว่าเป็นอนุุภาคปีศาจที่ตรวจจับยากที่สุด

1437944536112862

นิวตริโน ( neutrino) เป็นอนุภาคมูลฐาน (แยกให้เล็กกว่านี้ไม่ได้แล้ว) ที่มีลักษณะประหลาดที่สุด มันมีอยู่ทั่วจักรวาลในปริมาณที่มากมายมหาศาล และเดินทางทะลุทุกสิ่งทุกอย่างโดยไม่มีอะไรไปขวางกั้นมันได้

ทุกวินาที ดวงอาทิตย์ โลก แม้กระทั่งร่างกายของคุณในขณะที่กำลังอ่านบทความนี้ ก็ถูกนิวตริโนจำนวนนับล้านวิ่งผ่านไปเฉยๆ

มันไม่ทำปฏิกิริยากับอะไรทั้งสิ้น ไม่อาจใช้วิธีตรวจจับตามปกติ แต่จากการใช้ทฤษฏีเพือหาทางตรวจการมีอยู่ของมันมาหลายปี ก็พบว่า มันมีปฏิสัมพันธ์กับแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน

นิวตริโนมี 3 ชนิดคือ  นิวตริโนอิเล็กตรอน (νe) นิวตริโนมิวออน (νμ) และ นิวตริโนทาว (ντ) แต่ละชนิดสามารถเปลี่ยนแปลงไปมาหากันได้ (oscillations)

as20140923_1_06

แรกเริ่มเดิมที เราพบว่าดวงอาทิตย์ปล่อยนิวตริโนออกมาขณะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แกนกลาง โดยอนุภาคมูลฐานอื่นเช่นโฟตอนจะถูกกักขังหน่วงเหนี่ยวไว้ กว่าจะโผล่ออกมาที่ผิวดวงอาทิตย์นั้นนานมาก แต่นิวตริโนจะพุ่งทะลุออกมาเลย และเดินทางไปทั่วรวมทั้งทะลุผ่านโลกเราด้วย

ในเมื่อมันทะลุทุกอย่าง วิธีหาตัวมันก็คือไปเจาะอุโมงค์ไว้ใต้ดินหรือใต้ภูเขาลึกๆให้อนุภาคอื่นไม่อาจมาถึงได้ สิ่งที่จะมาถึงเครื่องมือใต้ภูเขาก็คงเหลือแต่เจ้าปีศาจหรืออนุภาคนิวตริโนเท่านั้น

การตรวจจับรอบแรกๆโดยฝรั่งสมัยที่ยังนึกกันว่านิวตริโนมีชนิดเดียวทำเอาปวดหัวเพราะจับได้แค่ 1 ใน 3 เมื่อมาคิดอีกทีก็พบว่าน่าจะมีนิวตริโนชนิดอื่นด้วย และพระเอกของเราคือ เครื่อง ซุปเปอร์-คามิโอกันเดะ ที่ญี่ปุ่น ก็ตรวจพบนิวตริโนได้ทั้ง 3 ชนิดและยืนยันการเปลี่ยนชนิดไปมาของอนุภาคปีศาจนี้ด้วย

นั่นคือความสำเร็จในรอบแรก

kamiokande_01

ซุปเปอร์-คามิโอกันเดะ (super-kamioka neutrino detection experiment) ถือเป็นอุปกรณ์ตรวจจับนิวตริโนที่ใหญและมีประสิทธิภาพสูงที่สุดในโลก ตั้งอยู่ในเหมืองตะกั่วคามิโอกะใต้ภูเขาอิเคโนยามะ Ikenoyama  เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยถังทรงกระบอก ซึ่งมีน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดหนัก 5  หมื่นตัน  น้ำนี้มีความบริสุทธิ์จนแสงสามารถส่องผ่านน้ำลงไปได้ลึกถึง 100 เมตร (ลึกกว่าก้นอ่าวไทย)ในขณะที่น้ำธรรมดาเพียงที่ระดับลึก 5 เมตรก็แทบมองไม่เห็นแสงแล้ว นอกจากนี้ที่ผนังของถังยักษ์ก็มีหลอดรับแสง (photomultiplier) ถึง 11,146 หลอด ซึ่งหลอดรับแสงเหล่านี้มีความไวแสงมาก จนสามารถรับแสงจากเทียนไขที่จุดสว่างบนดวงจันทร์ได้

หลอดไรับแสงพวกนี้ จะตรวจจับแสงขณะที่นิวตริโนอิเล็กตรอน (νe) ทำปฏิกิริยากับน้ำ จะกำเนิดอนุภาคอิเล็๋คตรอนออกมา อนภาคนี้มีประจุเป็นลบ และเมื่อนิวตริโนมิวออน (νμ) ทำปฏิกิริยากับน้ำมันจะกำเนิดอนุภาคมิวออนที่มีประจุบวกออกมา ประจุเหล่านี้จะก่อเกิดแสงสว่างวาบให้ตรวจจับได้

ถังยักษ์ใต้เหมืองคามิโอกะนี้จะเชื่อมต่อกับท่อนำอนุภาคยาว 279 กิโลเมตร ไปถึงเครื่องเร่งอนุภาค J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) ในเขตโตไค ทางฟากตะวันออกของประเทศ รวมทั้งระบบเรียกว่า T2K หมายถึง Tokai to Kamioka

สัปดาห์ที่แล้ว ระบบ T2K สามารถตรวจพบคู่ตรงข้าม หรือ Antineutrino ได้เป็นครั้งแรก และประกาศการค้นพบลงในวารสาร Symmetry

ปกติถังซุปเปอร์-คามิโอกันเดะจะพบนิวตริโนอิเล็กตรอนจากดวงอาทิตย์เข้ามาทำปฏิกิริยากับอะตอมของไฮโดรเจนและอ๊อกซิเจนในมีน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดทุกวัน แต่หากต้องการทดสอบหานิวตริโนอื่น จะใช้เครื่องเร่งอนุภาค J-PARC ยิงนิวตริโนที่สร้างเองมาจากอีกด้านหนึ่งของประเทศ

แต่รอบนี้เราต้องการตรวจหา คู่ตรงข้าม หรือ Antineutrino จึงมีการเติมสารประกอบบางอย่างลงในน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดนั้น สารที่เติมลงไปคือ แกโดลิเนียมซัลเฟต Gd2(SO4)3 หนัก 100 ตัน และก็ตั้งชื่อการทดลองครั้งใหม่นี้ว่า Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! หรือ GADZOOKS! (ชื่อยาวมาก)

และก็ได้ผล เมื่อยิงอนุภาค นิวตริโนมิวออน (νμ) มาจากเครื่องเร่งที่โตไค ระหว่างทาง นิวตริโนมิวออนจะเปลี่ยนชนิดไปเรื่อยๆ เมื่อมาถึงถึงยักษ์บรรจุสารละลายแกโดลิเนียมซัลเฟตก็เกิดปฏิกิริยาสว่างวาบ 2 ครั้ง ทีมงานเรียกปรากฏการณ์  “knock-knock” แสงสว่างครั้งแรกเกิดไปตามปกติที่เคยตรวจจับได้ แต่แสงสว่างครั้งหลังนี้เกิดจากตัวคู่ประจุตรงข้ามของนิวตริโนหรือแอนติ-นิวตริโน Antineutrino ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนในสารละลาย เป็นการยืนยันการมีอยู่ของแอนติ-นิวตริโนนั้น

การศึกษานิวตริโนก่อให้เกิดสาขาใหม่ทางฟิสิกส์ นั่นคือดาราศาสตร์นิวตริโน โดยใช้การตรวจจับการเกิดนิวตริโนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดาวฤกษ์และการระเบิดของซูเปอร์โนวา ผ่านทางกล้องโทรทรรศน์นิวตริโน ซึ่งสามารถตรวจจับภาพที่กล้องโทรทรรศน์ทั่วไปจับภาพไม่ได้  เช่นแกนกลางของดวงอาทิตย์ หรือ  ซูเปอร์โนวา SN1987A เป็นการเปิดหน้าต่างบานใหม่สู่การสำรวจเอกภพ ใครจะรู้ว่าสักวันหนึ่งอันใกล้นี้เราอาจพบพบทางลัดสู่ความรู้อันยิ่งใหญ่หลังจากเฝ้ามองจักรวาลในวิธีเดิมๆมานานแสนนานก็ได้

 

อ้างอิง http://www.symmetrymagazine.org/article/july-2015/underground-plans
เรียบเรียงโดย @MrVop