แล็บญี่ปุ่นตรวจวัด “นิวทริโน” ได้ครั้งแรก ใกล้สู่คำตอบ "ทำไมเอกภพเต็มไปด้วยสสาร"

นักฟิสิกส์ญี่ปุ่นพร้อมด้วยทีมศึกษานานาชาติ ประกาศผลการตรวจวัด “ปรากฏการณ์นิวทริโน” ได้เป็นครั้งแรก จากเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนเครื่องใหม่ของญี่ปุ่น เชื่อจะขยับใกล้คำตอบว่า เหตุใดเอกภพจึงเต็มไปด้วยสสาร

การทดลองครั้งนี้ นำโดยทีมนักฟิสิกส์ญี่ปุ่นพร้อมด้วยทีมวิจัยนานาชาตินิวทริโน T2K (T2K neutrino) ประกาศว่า พวกเขาได้ตรวจพบ “ปรากฎการณ์นิวทริโน” (neutrino events) เป็นครั้งแรก ซึ่งเกิดจากเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนของห้องปฏิบัติการเจ-ปาร์ค (Japan Proton Accelerator Research Complex: J-PARC) ในโตไก ประเทศญี่ปุ่น

ไซน์เดลีระบุถึงการทดลองนี้ว่า โปรตอนจากวงแหวนหลักของเครื่องซินโครตอน 30 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) ถูกยิงเข้าไปยังเป้าคาร์บอน ซึ่งการชนกันทำให้เกิดอนุภาคมีประจุที่เรียกว่า “ไพออน” (pions) ซึ่งอนุภาคมีประจุนี้ จะเคลื่อนที่ผ่านฮีเลียมปริมาณมาก แล้วสลายตัวเป็นลำอนุภาคที่มีความว่องไวที่เรียกว่า “นิวทริโน”

นิวทริโนเหล่านี้จะไหลผ่านพื้นดินเป็นระยะทาง 200 เมตร ไปยังระบบตรวจวัดอนุภาคอันซับซ้อน ที่สามารถให้รายละเอียดการวัดของอนุภาคเหล่านี้ได้ ทั้งพลังงาน ทิศทางและรูปแบบของอนุภาค

แม้ว่าข้อมูลจากระบบตรวจวัดอันซับซ้อนจะยังอยู่ในขั้นตอนของการวิเคราะห์ แต่นักฟิสิกส์ก็ได้เห็นปรากฎการณ์นิวทริโนแล้วอย่างน้อย 3 เหตุการณ์ ในขอบข่ายที่คาดหวังซึ่งอยู่บนพื้นฐานของลำอนุภาคที่หมุนเวียนและคุณสมบัติของเครื่องตรวจวัดอนุภาค

การตรวจพบครั้งนี้ ทำให้กลุ่มทดลอง T2K ซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ 474 คนจากความร่วมของ 13 ชาติ สามารถวัดคุณสมบัติใหม่ของนิวทริโนที่มีคุณสมบัติราวกับผีได้ โดยนิวทริโนจะทำอันตรกริยาอย่างอ่อนเฉพาะกับสสาร และผ่านพื้นโลกได้อย่างง่ายดาย ซึ่งโดยมาจะผ่านเครื่องตรวจวัดไป

ทั้งนี้ นิวทริโนปรากฎใน 3 รูปแบบ คือ อิเล็กตรอน มิวออน (muon) และทาว (tau) ซึ่งรูปแบบหลังนั้นเมื่อพิจารณาเรื่องการทำอันตรกริยาของอนุภาคแล้วมีความคล้ายคลึงกับอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบเหมือนกัน

เมื่อ 2-3 ทศวรรษก่อน มีการวัดนิวทริโนที่มีชื่อเสียงมาก คือการทดลองนิทริโนซูเปอร์ คามิโอกานเด (Super Kamiokande) และคามแลนด์ (KamLAND) ทางตะวันตกของญี่ปุ่น ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวทริโนนั้นมีคุณสมบัติการกวัดแกว่งที่แปลกประหลาด โดยนิวทริโนรูปแบบหนึ่งสามารถเปลี่ยนสภาพไปเป็นนิวทริโนอีกรูปแบบได้เมื่อเคลื่อนไปในพื้นที่สเปซ

ปรากฏการณ์การกวัดแกว่งของนิวทริโน (Neutrino oscillations) ซึ่งนิวทริโนจำเป็นต้องมีมวล และเป็นไปไม่ได้สำหรับความเข้าใจเชิงทฤษฎีด้านฟิสิกส์อนุภาคก่อนหน้านี้นั้น ได้พิสูจน์กฎทางกายภาพใหม่และเป็นความน่าสนใจอย่างยิ่งในการศึกษาองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร และอาจสัมพันธ์กับความน่าพิศวงว่า เหตุใดจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสารในเอกภพนี้ และเป็นเป้าหมายในการศึกษาอย่างกระตือรือร้นทั่วโลก

การวัดการกวัดแกว่งของนิวทริโนก่อนหน้านี้ ทำได้โดยใช้ลำนิวทริโนที่ไม่ใช่ของจริง อย่างเช่นการทดลองนิวทริโนของกลุ่มปฏิบัติการ K2K ซึ่งนิวทริโนจากห้องปฏิบัติการเคค (KEK laboratory) ถูกตรวจวัดได้จากเครื่องตรวจวัดนิวทริโนซูเปอร์คามิโอกานเดขนาดใหญ่ (Super Kamiokande)ซึ่งตั้งอยู่ใกล้โทยามาของญี่ปุ่น

สำหรับการทดลองของ T2K นั้นมีกำลังมากกว่าและมีความซับซ้อนกว่าการทดลองของ K2K โดย T2K นั้นผลิตลำนิวทริโนขึ้นจากเครื่องซินโครตรอนแบบวงแหวนเมนริง (Main Ring synchrotron) เครื่องใหม่ ของห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคเจ-ปาร์ค ซึ่งลำอนุภาคที่ผลิตขึ้นได้นี้เป็นผลงานของนักฟิสิกส์จากห้องปฏิบัติเคค ด้วยความร่วมมือกับสถาบันอื่นๆ ในญี่ปุ่น และความช่วยเหลือของสถาบันในกลุ่มปฏิบัติการ T2K จากสหรัฐฯ แคนาดา อังกฤษและฝรั่งเศส

ทั้งนี้ มีความตั้งใจที่ถูกสร้างลำนิวทริโนขึ้นมาอีกครั้งที่ซูเปอร์มิโอกานเด ซึ่งได้อัพเกรดเพื่อการทดลองด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ใหม่ ส่วนเครื่องมือที่เจ-ปาร์คใช้ตรวจวัดนิวทริโนนั้น ได้รับบริจาคจากเซิร์น (CERN) โดยก่อนหน้านั้นถูกใช้เพื่อการทดลองเกี่ยวกับนิวทริโน และการทดลองทำให้เกิดการค้นพบอนุภาคโบซอน W และ Z ซึ่งเป็นผลพวงจากอันตรกริยาของนิวทริโน อันทำให้ผู้ค้นพบอนุภาคดังกล่าวได้รับรางวัลโนเบล

สำหรับปรากฏการณ์นิวทริโนแรกที่ถูกตรวจวัดได้ในครั้งนี้ อาศัยเครื่องตรวจวัดที่เรียกว่า “อินกริด” (INGRID) มีความเอนกประสงค์ในการประเมินทิศทางและโครงสร้างของลำอนุภาคนิวทริโน นอกจากนี้การทดสอบลำอนุภาคนิวทริโนของกลุ่ม T2K นี้มีกำหนดขึ้นในเดือน ธ.ค. และการทดลองยังวางแผนที่จะเริ่มเดินเครื่องในกลางเดือน ม.ค.ที่จะถึงนี้

เรื่องสำคัญถัดไปคือการตรวจสอบเหตุการณ์นิวทริโนของกลุ่ม T2K โดยการทดลองของซูเปอร์คามิโอกานเดควรได้รับการติดตามต่อในอีกไม่ช้า การเดินเครื่องทดลองจะต่อเนื่องไปถึงฤดูร้อน ด้วยความหวังว่าการทดลองนี้จะนำไปสู่การค้นพบที่สำคัญ ในการกวัดแกว่งนิวทริโนที่ยังไม่พบ ซึ่งเป็นผลจากการกวัดแกว่งของนิวทริโนทั้ง 3 รูปแบบ

ปีใหม่ที่กำลังจะมาถึงนี้การค้นหาได้ถูกปรับปรุงไปมาก ด้วยความหวังว่าการกวัดแกว่งของนิวทริโนใน 3 หมวดจะถูกค้นพบ แล้วสามารถวัดเพื่อเริ่มต้นเปรียบเทียบการกวัดแกว่งของนิวทริโน และแอนตี-นิวทริโน (anti-neutrino) เพื่อพิสูจน์ฟิสิกส์อสมมาตรของสสารและปฏิสสารในส่วนของนิวทริโน.