ฟิสิกส์อนุภาคกับเครื่องสแกนทะลุโลก ตอนที่ 2
ท้ายบทความตอนที่แล้วผู้เขียนได้ทิ้งท้ายไว้ว่ามีโครงการที่ใหญ่กว่าโครงการ ScanPyramids ดังนั้นตามที่สัญญาไว้ เราจะมาทำความรู้จักกับโครงการนี้กันครับ โครงการแรกมีชื่อว่า DUNE หรือ The Deep Underground Neutrino Experiment ซึ่งเป็นอภิมหาโครงการที่มีวัตถุประสงค์ในการศึกษาอนุภาคนิวทริโน (Neutrino) ที่เคลื่อนที่ทะลุผ่านชั้นเปลือกโลกด้วยเครื่องตรวจวัดนิวทริโนแบบ Liquid Argon Time-Projection Chamber
เครื่องตรวจจับอนุภาคนิวทริโนของโครงการ DUNE อยู่ใต้ดินลึก 1,475 เมตรที่ Sanford Underground Research Facility
(ภาพจาก http://www.dunescience.org/neutrino-detectors/)
ความรู้ด้านฟิสิกส์อนุภาคบอกเราว่านิวทริโนมีคุณสมบัติที่คล้ายกับมิวออน นั่นคือเป็นอนุภาคมูลฐานที่แทบไม่ทำอันตรกิริยากับอะไรเลย มันเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ มีมวลน้อยมากจนเกือบจะเป็นศูนย์ และถูกแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอนนิวทริโน (Electron Neutrino) มิวออนนิวทริโน (Muon Neutrino) และทาวนิวทริโน (Tau Neutrino) แหล่งกำเนิดนิวทริโนก็มีอยู่ทั่วไปทั้งบนโลกและในอวกาศ ในขณะที่คุณกำลังอ่านบทความนี้อยู่นิวทริโนจำนวนมหาศาลก็กำลังพุ่งทะลุตัวคุณไปเช่นกัน
จุดประสงค์ของโครงการ DUNE มีหลายอย่าง เช่น ศึกษาปัญหาเรื่อง อสมมาตรของสสารและปฏิสสาร (Matter-Antimatter Asymmetry) เสถียรภาพของสสาร (Stability of Matter) พลศาสตร์ของซูเปอร์โนวา (Dynamics of Supernova) และในอนาคตอาจใช้ศึกษาร่วมกับเรื่อง นิวทริโนในชั้นบรรยากาศ (Atmospheric Neutrino) นิวทริโนจากภายในโลก (Geoneutrino) รวมถึงคุณสมบัติและโครงสร้างภายในของโลกจาก Neutrino Tomography of the Earth อีกด้วย
การทดลองเบื้องต้นจะเป็นการสร้างลำของอนุภาคนิวทริโนจำนวนมหาศาลจากเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอน (Proton Accelerator) ซึ่งตั้งอยู่ใต้ดินที่ Fermilab เมืองชิคาโก ประเทศสหรัฐอเมริกา จากนั้นก็ส่งลำของอนุภาคนิวทริโนผ่านเครื่องตรวจวัดนิวทริโนเครื่องแรกที่ตั้งอยู่ใกล้ ๆ กัน นิวทริโนเหล่านี้จะเดินทางผ่านชั้นเปลือกโลกเป็นระยะทางประมาณ 1,300 กิโลเมตรไปยังเครื่องตรวจวัดอีกเครื่องที่อยู่ใต้ดินของ Sanford Underground Research Facility ที่ South Dakota ประเทศสหรัฐอเมริกา ในระยะแรก เครื่องตรวจวัดนิวทริโนจะถูกพัฒนาที่ CERN จากนั้นจะถูกส่งต่อไปยังสถานีวิจัยของโครงการ DUNE ในภายหลัง โดยกำหนดการณ์ในการทดลองจะเริ่มขึ้นหลังค.ศ.2024 เป็นต้นไป
ภาพแสดงการทดลองเบื้องต้นของโครงการ DUNE
(ภาพจาก http://www.dunescience.org/wp-content/uploads/2016/12/LBNE_Graphic_061615_2016.jpg)
ต้นแบบเครื่องตรวจจับอนุภาคนิวทริโนของ DUNE (สีแดง) ถูกสร้างขึ้นที่ CERN
(ภาพจาก http://www.dunescience.org/neutrino-detectors/)
ขณะเดียวกัน หากท่านผู้อ่านข้ามน้ำข้ามทะเลจากประเทศสหรัฐอเมริกามายังประเทศจีน ที่เมือง Jiangmen มณฑลกวางตุ้ง ท่านผู้อ่านจะได้พบกับอีกหนึ่งโครงการที่ถูกตั้งขึ้นเพื่อไขปริศนาของอนุภาคนิวทริโนเช่นกัน โครงการนี้มีชื่อว่า JUNO ย่อมาจาก The Jiangmen Underground Neutrino Observatory
ภาพแสดงสถานที่ตั้งของโครงการ JUNO และสถานที่ใกล้เคียง
(ภาพจาก http://english.ihep.cas.cn/prs/ns/201501/t20150109_134988.html)
ย้อนกลับไปในช่วงที่นักฟิสิกส์เพิ่งตรวจพบอนุภาคนิวทริโนใหม่ ๆ เมื่อกว่าหกทศวรรษก่อน นิวทริโนได้สร้างปัญหาใหญ่ให้นักฟิสิกส์อนุภาคปวดหัวอยู่เป็นเวลานาน นั่นคือจำนวนนิวทริโนที่ตรวจวัดได้มีเพียง 1 ใน 3 ของค่าที่คำนวณจากทฤษฎี การที่ทฤษฎีและผลการทดลองไม่ตรงกันจึงมีความเป็นไปได้ 2 อย่าง คือ ทฤษฎีเกี่ยวกับนิวทริโนยังไม่สมบูรณ์ หรือการทดลองยังไม่ดีพอ แต่เมื่อมีการตรวจสอบการทดลองและทำซ้ำก็พบว่าได้ผลเหมือนเดิม ปัญหานี้จึงคาใจนักฟิสิกส์อยู่ชั่วระยะเวลาหนึ่ง แต่แสงสว่างของคำตอบก็ฉายออกมาเมื่อนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีผู้ปราดเปรื่องนามว่า Bruno Pontecorvo ได้เสนอแนวคิดในปี ค.ศ.1957 ว่านิวทริโนอาจจะเปลี่ยนชนิดได้ เรียกว่าการแกว่งกวัดของนิวทริโน (Neutrino Oscillation) หรืออาจเรียกว่าการเปลี่ยน Flavour ก็ได้ ยกตัวอย่างเช่น เมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์บนดวงอาทิตย์ส่งอิเล็กตรอนนิวทริโนจำนวนมากออกมา อิเล็กตรอนนิวทริโนจะแปลงร่างกลายเป็นมิวออนนิวทริโนกับทาวนิวทริโน และนี่อาจเป็นคำตอบของคำถามที่ว่าทำไมนักฟิสิกส์จึงตรวจจับจำนวนนิวทริโนได้เพียง 1 ใน 3 ของจำนวนที่คาดการณ์ไว้ทางทฤษฎี สาเหตุเพราะเครื่องตรวจจับที่ใช้ในยุคนั้นมีความไวต่อการกระตุ้นจากนิวทริโนแต่ละชนิดต่างกันนั่นเอง
เมื่อคำถามแรกถูกตอบ คำถามใหม่ก็ผุดขึ้นมา เพราะการเสนอแนวคิดว่านิวทริโนสามารถเปลี่ยน Flavour ได้ไปขัดกับแนวคิดเดิมของแบบจำลองมาตรฐาน (Srandard Model) เพราะทฤษฎีเดิมมีแนวคิดว่านิวทริโนไม่มีมวล แต่การที่นิวทริโนสามารถเปลี่ยนชนิดได้แสดงว่ามันต้องมีมวลแม้จะน้อยมาก ๆ ก็ตาม แบบจำลองมาตรฐานจึงได้รับการปรับปรุงในเวลาต่อมาพร้อม ๆ กับการสร้างสถานีตรวจจับนิวทริโนเพิ่มขึ้นอีกหลายแห่งในหลายประเทศทั่วโลก
ภาพแสดงเครื่องตรวจจับนิวทริโนของโครงการ JUNO
(ภาพจาก http://juno.ihep.cas.cn/ATEjuno/201309/t20130912_109433.html)
จุดประสงค์ที่โครงการ JUNO ถูกตั้งขึ้นมามีหลายประการ เช่น วัดมวลของนิวทริโน ศึกษาตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับการแกว่งกวัดของนิวทริโน ศึกษานิวทริโนจากแหล่งต่าง ๆ เช่น เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซูเปอร์โนวา ดวงอาทิตย์ ชั้นบรรยากาศ และภายในโลก เป็นต้น โดยสถานีวิจัยจะมีเครื่องตรวจวัดแบบ Liquid Scintillator ตั้งอยู่ใต้ดินลึก 700 เมตรเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน ภายในเครื่องตรวจวัดจะมีหลอด Photomultiplier จำนวนมากคอยตรวจจับแสงวับ (Scintillation Light) และแสง Cherenkov ซึ่งเกิดจากอัตรกิริยาของนิวทริโนที่ผ่านเข้ามาภายในเครื่องตรวจวัด
โครงการ JUNO เกิดขึ้นจากความร่วมมือกันของ 71 สถาบันจาก 16 ประเทศ สิ่งที่น่ายินดีคือมีมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) รวมอยู่ด้วย โดยทั้งสามสถาบันจากประเทศไทยได้มีส่วนร่วมในการพัฒนา Earth Magnetic Field Shielding ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับลดผลกระทบของสนามแม่เหล็กโลกที่มีต่ออิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจากสัญญาณแสงในหลอด Photomultiplier การติดตั้ง Earth Magnetic Field Shielding จึงทำให้การวัดสัญญาณมีความแม่นยำมากขึ้นนั่นเอง โครงการ JUNO ได้รับการอนุมัติจากรัฐบาลเมื่อปี ค.ศ.2014 ขณะนี้กำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง และคาดว่าจะเริ่มการทดลองได้ไม่เกินปี ค.ศ.2021 เราคงต้องตั้งตารอแล้วว่า JUNO จะช่วยให้มนุษยชาติค้นพบคำตอบอะไรเพิ่มขึ้นอีกบ้าง
ทั้งอนุภาคมิวออนและอนุภาคนิวทริโนเป็นสิ่งที่เล็กจิ๋วจนมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ไม่ใช่สิ่งที่ไขว่คว้าจับต้องได้ด้วยมือ หลายคนอาจมองว่ามันไม่สำคัญหรือไม่จำเป็นต้องรู้ แต่อนุภาคเล็กจิ๋วเหล่านี้ก็สอนให้เรารู้ว่าหากเราทุ่มเทเพื่อศึกษาจนเข้าใจมันมากพอ มันก็อาจมีประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างเราในบางเรื่องก็ได้
เรียบเรียงโดย
สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
อ้างอิง
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2
29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1
09-02-2024
