นิวตริโนเป็นอนุภาคขนาดเล็กกว่าอะตอม ซึ่งมักเรียกว่า ‘อนุภาคผี’ เพราะพวกมันแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งอื่นใด

อย่างไรก็ตาม นิวตริโนเป็นอนุภาคที่พบมากที่สุดในจักรวาล เชื่อหรือไม่ว่านิวตริโนประมาณ 100 ล้านล้านผ่านร่างกายของคุณไปอย่างไม่เป็นอันตรายทุกวินาที(เปิดในแท็บใหม่)!

แนวโน้มที่จะไม่โต้ตอบกับอนุภาคอื่นๆ บ่อยนักทำให้การตรวจจับนิวตริโนเป็นเรื่องยากมาก แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าพวกมันจะไม่มีวันโต้ตอบ — ความน่าจะเป็นที่นิวตริโนใดๆ จะโต้ตอบกับอนุภาคอื่นนั้นน้อยมาก

• บทความอื่น ๆ : boulderhomevet.com

แม้จะมีอัตราต่อรองเล็กน้อยเหล่านี้ แต่ความจริงที่ว่ามีนิวตริโนจำนวนมากหมายความว่าตามสถิติแล้วบางส่วนจะถูกมองว่ามีปฏิสัมพันธ์ ตัวอย่างเช่น มีโอกาส 1 ใน 4 ที่นิวตริโนจะมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมในร่างกายของคุณ ณ จุดใดจุดหนึ่งในชีวิตของคุณ เนื่องจากตลอดชีวิตของคุณ นิวตริโน 2.5 x 10^21 โดยประมาณจะพัดผ่านตัวคุณไป ความน่าจะเป็นที่นิวตริโนใดๆ จะโต้ตอบกับคุณนั้นอยู่ที่ประมาณ1 ในล้านล้าน(เปิดในแท็บใหม่)(1 ใน 10^24)

ที่เกี่ยวข้อง: 10 ความลึกลับของจักรวาลที่ Large Hadron Collider สามารถคลี่คลายได้Keith Cooper เป็นนักข่าวและบรรณาธิการด้านวิทยาศาสตร์อิสระในสหราชอาณาจักร และสำเร็จการศึกษาด้านฟิสิกส์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ เขาเป็นผู้เขียน “The Contact Paradox: Challenging Our Assumptions in the Search for Extraterrestrial Intelligence” (Bloomsbury Sigma, 2020) และได้เขียนบทความเกี่ยวกับดาราศาสตร์ อวกาศ ฟิสิกส์ และโหราศาสตร์สำหรับนิตยสารและเว็บไซต์มากมาย

คลิกที่นี่เพื่อดูวิดีโอ Space.com เพิ่มเติม…ปิดนิวตริโนมีบทบาทสำคัญในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ในฟิสิกส์ของดาวฤกษ์และหลุมดำและแม้แต่ในจักรวาลวิทยาและธรรมชาติของบิกแบง

บนแผนภูมิต้นไม้ครอบครัวของอนุภาคที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานนิวตริโนอยู่ในตระกูลอนุภาคที่เรียกว่าเลปตอน มีเลปตอนหลักสามตัว ได้แก่อิเล็กตรอนมิวออนและอนุภาคเอกภาพ และแต่ละตัวมีนิวตริโนและแอนตินิวตริโนที่เกี่ยวข้อง

‘อนุภาคผี’ เหล่านี้คืออะไรกันแน่?นิวตริโนไม่มีค่าใช้จ่าย พวกเขาเป็นกลางตามชื่อของพวกเขา และในขณะที่มวลนิวตริโนยังไม่ได้วัดอย่างแม่นยำเรารู้ว่ามันต้องเล็กมาก ที่ แคท ริน(เปิดในแท็บใหม่)การทดลอง Karlsruhe Tritium Neutrino ในประเทศเยอรมนี นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดขีดจำกัดสูงสุดของมวลนิวทริโนเป็น 0.8 อิเล็กตรอนโวลต์หรือ eV (อิเลคตรอนโวลต์คือปริมาณพลังงานจลน์ที่ได้รับจากอิเล็กตรอนเมื่อเร่งความเร็วผ่านความต่างศักย์หนึ่งโวลต์)

แม้ว่าในตอนแรกอาจดูแปลกที่จะวัดมวลโดยใช้หน่วยของพลังงาน แต่Albert Einsteinแสดงให้เราเห็นว่ามวลและพลังงานเป็นอย่างไร เป็นสองด้านของเหรียญเดียวกัน (ตามที่อธิบายโดยสมการที่มีชื่อเสียงของเขา E = mc^2) และมวลอนุภาคที่เล็กมากมักจะได้รับใน eV เนื่องจากการแปลงกิโลกรัมมีขนาดเล็กมาก ( 0.8eV ประมาณ 1.4 x 10^–36 กิโลกรัม(เปิดในแท็บใหม่)). เพื่อให้เข้ากับบริบท นิวตริโนมีมวลน้อยกว่าอิเล็กตรอนประมาณหมื่นเท่า

นิวตริโนไม่มีปฏิกิริยากับแรงนิวเคลียร์อย่างแรงที่ผูกนิวเคลียสของอะตอมเข้าด้วยกัน แต่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับแรงอ่อนที่ควบคุมการ สลายตัว ของกัมมันตภาพรังสี ดังนั้นนี่คือวิธีการผลิตนิวตริโน ตัวอย่างเช่น การทดลองของ KATRIN วัดมวลของนิวตริโนที่เกิดจากการสลายตัวของไอโซโทปทริเทียม

ภาพประกอบของศิลปินเรื่องซุปเปอร์โนวาที่ยุบตัวแสดงให้เห็นเส้นแสงและวัสดุที่พุ่งออกมาจากจุดสว่างจุดเดียวพลังงานส่วนใหญ่ของซุปเปอร์โนวาที่ยุบตัวถูกแผ่ออกมาในรูปของนิวตริโน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโปรตอนและอิเล็กตรอนในนิวเคลียสรวมกันเป็นวตรอน(เครดิตรูปภาพ: รูปภาพ Naeblys / Getty)(เปิดในแท็บใหม่)นิวตริโนถูกค้นพบได้อย่างไร?

การอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมเป็นหลักการพื้นฐานสองประการของฟิสิกส์ คุณไม่สามารถผลิตพลังงานจากสิ่งใดสิ่งหนึ่งได้ และโมเมนตัมเชิงมุมก็ไม่อาจหายไปได้ ย้อนกลับไปในปี 1930 นักฟิสิกส์ควอนตัมชื่อดังWolfgang Pauli ได้ตระหนัก(เปิดในแท็บใหม่)เพื่อที่จะคงไว้ซึ่งการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมในการสลายตัวแบบเบตา (ซึ่งอิเล็กตรอนหรือสารต่อต้านอนุภาค โพซิตรอน ถูกปล่อยออกมาจากอะตอมกัมมันตภาพรังสี) จำเป็นต้องมีอนุภาคชนิดใหม่ที่ไม่มีประจุ ไม่มีมวลหรือน้อยมาก และสปินควอนตัม 1/2 แน่นอนว่าอนุภาคใหม่ทางทฤษฎีนี้คือนิวตริโน

มันยังคงเป็นทฤษฎีอย่างหมดจดจนถึงปี 1955 เมื่อนักฟิสิกส์ Clyde Cowan และ Frederick Reines จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos(เปิดในแท็บใหม่)นำทีมสำรวจนิวตริโนเป็นครั้งแรก โดยมาจากการสลายตัวของบีตาภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ไซต์แม่น้ำซาวันนาห์ในเซาท์แคโรไลนา เครื่องตรวจจับนิวทริโนประกอบด้วยของเหลวที่เรืองแสงวาบและหลอดโฟโตมัลติพลิเย่ร์(เปิดในแท็บใหม่)และตรวจไม่พบนิวตริโนโดยตรง ในทางกลับกัน เครื่องตรวจจับมองหานิวตริโนที่ทำปฏิกิริยากับโปรตอนในของเหลว อันตรกิริยาที่สร้างโพซิตรอนและนิวตรอน โพซิตรอนจะถูกทำลายเมื่อพบอิเล็กตรอน ซึ่งเทียบเท่ากับปฏิสสารในของเหลว การทำลายล้างนี้แปลงมวลทั้งหมดเป็นพลังงานบริสุทธิ์ในรูปของรังสีแกมมา 2 ตัว ในขณะที่นิวตรอนยังผลิตรังสีแกมมาเพิ่มเติมเมื่ออะตอมอื่นจับพวกมันในภายหลัง หลอดโฟโตทวีคูณสามารถตรวจจับรังสีแกมมาเหล่านี้ได้

อย่างไรก็ตาม นิวตริโนเหล่านี้ถูกผลิตขึ้นโดยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นิวตริโน ‘ธรรมชาติ’ตัว แรกที่ตรวจพบ(เปิดในแท็บใหม่)ถูกพบในปี 1965 ที่การทดลองใต้ดินลึกที่เหมืองทอง East Rand ในแอฟริกาใต้ แต่มันไม่ได้เกิดขึ้นจนกระทั่งเครื่องตรวจจับ Homestake Mine ที่มีชื่อเสียงถูกสร้างขึ้นซึ่งฟิสิกส์ของนิวทริโนมีอายุมากขึ้น

เหมือง Homestake ในเซาท์ดาโคตา ครั้งหนึ่งเคยเป็นเหมืองทองคำที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา(เปิดในแท็บใหม่). นักฟิสิกส์ จอห์น บาห์คอล และ เรย์ เดวิส จูเนียร์สร้างการทดลองลึกลงไปในเหมือง(เปิดในแท็บใหม่)เพื่อตรวจจับนิวตริโนที่มาจากแกนกลางของดวงอาทิตย์โดยที่ ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิวชันจะเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ในการทำเช่นนั้น Bahcall และ Davis ได้เติมถังในเหมืองด้วยน้ำยาซักแห้งที่อุดมด้วยคลอรีน 100,000 แกลลอน (454,600 ลิตร)

— เพอร์คลอโรเอทิลีนเพื่อให้แม่นยำ วิธีการนั้นง่าย — ในกรณีที่นิวตริโนทำปฏิกิริยากับอะตอมของคลอรีน-37 มันกลายเป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของอาร์กอน-37 และจากการนับจำนวนอะตอมของอาร์กอน-37 ที่ปรากฏขึ้นทุกสองสามสัปดาห์ เดวิสและบาห์คอล สามารถคำนวณจำนวนนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ที่ผ่านขอบคุณได้ เนื่องจากอยู่ใต้ดิน 4,850 ฟุต (1,478 เมตร) การทดลอง Homestake จึงได้รับการปกป้องจากรังสีคอสมิกที่อาจรบกวนผลลัพธ์