ทดลองอีกรอบ “นิวทริโน” เร็วกว่าแสงจริงไหม?

ทีมวิทยาศาสตร์ชุดทดลองพบว่าอนุภาค “นิวทริโน” อาจเดินทางเร็วกว่าแสงนั้น ได้เริ่มการทดลองใหม่ที่การวัดความเร็วต่างจากเดิมเพื่อพิสูจน์ว่าคำประกาศดังกล่าวเป็นจริงหรือไม่ ซึ่งจะเป็นความพยายามเท่าที่เป็นไปได้ในการตอบโจทย์เรื่องคำวิพากษ์วิจารณ์และเป็นการยืนยันว่าสิ่งที่พวกเขาวิเคราะห์ถูกต้อง ก่อนที่พวกเขาจะได้ส่งผลการทดลองตีพิมพ์วารสารวิชาการ

เมื่อเดือน ก.ย.54 ที่ผ่านมากลุ่มศึกษานิวทริโนโอเปรา (Opera) ได้ประกาศว่าอนุภาค “นิวทริโน” (Neutrino) อาจจะเดินทางด้วยความเร็วมากกว่าแสง โดยพวกเขาได้ยิงลำอนุภาคนิวทริโนจากเครื่องเร่งอนุภาคใต้ดินของเซิร์น (Cern) ในกรุงเจนีวา สวิตเซอร์แลนด์ ไปยังห้องปฏิบัติการกรานซัสโซอิตาลี (Gran Sasso) ที่อยู่ห่างออกไป 732 กิโลเมตร และพบว่าอนุภาคดังกล่าวน่าจะเดินทางเร็วกว่าแสง “เสี้ยววินาที”

นับแต่การประกาศดังกล่าวมีรายงานวิชาการมากกว่า 80 ผลงานเกี่ยวกับการค้นพบดังกล่าว ที่ได้รับการโพสต์ลงวารสาร arXiv ฉบับออนไลน์ก่อนพิมพ์ ส่วนใหญ่เสนอการแก้ปัญหาเชิงทฤษฎีสำหรับการทดลอง แต่มีจำนวนหนึ่งที่อ้างว่าพบข้อผิดพลาดของการทดลอง ในจำนวนนั้นคือ เชลดอน กลาสโชว์ (Sheldon Glashow) นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล

กลาสโชว์และ แอนดรูว์ โคเฮน (Andrew Cohen) จากมหาวิทยาลัยบอสตัน (Boston University) สหรัฐฯ แย้งว่า หากนิวทริโนเดินทางเร็วกว่าแสงจริง อนุภาคดังกล่าวจะสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้ลำอนุภาคไม่เหลืออนุภาคที่มีพลังงานสูงอยู่เลย แต่ไม่พบปรากฏการณ์ดังกล่าวในการทดลองของกลุ่มโอเปรา

ทั้งนี้ ดร.เซอร์จิโอ เบอร์โตลุซซี (Dr.Sergio Bertolucci) ผู้อำนวยวิจัยของเซิร์นได้เผยแก่บีบีซีนิวส์ว่า กลุ่มโอเปราได้เริ่มการทดลองใหม่ที่ลำอนุภาคถูกส่งออกไปจากเซิร์นไปห้องปฏิบัติการกรานซัสโซในอิตาลีด้วยโครงสร้างทางเวลาที่ต่างไปจากเดิม เพื่อขจัดสิ่งที่เป็นข้อกังขาจากการทดลองครั้งก่อน และช่วยให้ทีมวิจัยทำการทดลองซ้ำได้ โดยการทดลองนี้จะสิ้นสุดในเดือน พ.ย. ซึ่งเป็นเวลาที่เซิร์นจะเปลี่ยนจากการเร่งอนุภาคโปรตอนไปเป็นการเร่งไอออนตะกั่ว

ในการทดลองครั้งนี้นิวทริโนที่ถูกส่งออกมาจากเซิร์นจะอยู่ในรูปของลำอนุภาคโปรตอน และเมื่อผ่าน “อันตรกริยา” (interaction) อันซับซ้อนจะเกิดนิวทริโนขึ้นจากลำอนุภาคดังกล่าวแล้วพุ่งผ่านเปลือกโลกไปยังอิตาลี ซึ่งการทดลองก่อนหน้านี้เซิร์นได้ยิงอนุภาคอนุภาคโปรตอนเป็นคลื่นพัลส์สั้นๆ 10 ไมโครวินาที (1 ในสิบล้านส่วนของวินาที) และพบว่านิวทริโนเดินทางเร็วกว่าแสงที่เดินทางในระยะทางเท่ากัน 60 นาโนวินาที (1 ใน 6 หมื่นล้านส่วนของวินาที)

อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยไม่ได้วัดการเดินทางโดยตรง พวกเขาไม่อาจรู้ว่านิวทริโนเดี่ยวๆ นั้นใช้เวลาเดินทางจากสวิตเซอร์แลนด์ไปอิตาลีนานแค่ไหน ดังนั้น พวกเขาจึงใช้วิธีทางสถิติโดยหาค่าเฉลี่ยจากการวัด “เวลามาถึง” ของนิวทริโนกับ “เวลาออกเดินทาง” ของโปรตอนแทน ซึ่งนักฟิสิกส์บางคนกล่าวว่า วิธีนี้อาจนำไปสู่ผลการทดลองที่คลาดเคลื่อนได้

ปัญหาข้างต้นนั้น ดร.เบอร์โตลุซซีกล่าวว่า น่าจะแก้ได้ด้วยวิธีการวัดแบบใหม่ โดยโปรตอนจะถูกส่งเป็นชุดๆ ไปในรูปการระเบิดเป็นระยะเวลาสั้นๆ เพียง 1-2 นาโนวินาที หลายๆ ครั้ง และแต่ละครั้งห่างกันนาน 500 นาโนวินาที ซึ่งระบบนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าเดิม ซึ่งทุกเหตุการณ์ของนิวทริโนที่เกิดขึ้นในกรานซัสโซสามารถบอกได้ว่าเกิดจากโปรตอนชุดใดจากเซิร์น

ด้าน แมตต์ สตราสสเลอร์ (Matt Strassler) จากมหาวิทยาลัยรัทเจอร์ส (Rutgers University) ในนิวเจอร์ซี สหรัฐฯ นักฟิสิกส์ผู้ตั้งข้อสังเกตถึงปัญหาของการทดลองครั้งก่อนแสดงความยินดีต่อการออกแบบการทดลองครั้งใหม่นี้ โดยบีบีซีนิวส์ระบุว่า เขาได้เขียนแสดงความเห็นลงบล็อกส่วนตัวว่า การทดลองครั้งใหม่นี้เหมือนการส่งชุดเสียง “คลิก” ที่ดังก้องและแยกเป็นเอกเทศ แทนที่จะส่งเสียงแตรยาวๆ อย่างหลังนั้นเราต้องหาว่าเสียงแตรเริ่มต้นและสิ้นสุดจริงๆ เมื่อไร แต่กรณีแรกนั้นเราเพียงได้ยินเสียงแต่ละคลิกก็จบ

พร้อมกันนี้ ดร.เบอร์โตลุซซี ยังได้กล่าวถึงการศึกษาของกลาสโชว์ว่า “ยอดเยี่ยม” แต่ก็ให้ความเห็นเสริมว่า นักทดลองจำเป็นต้องพิสูจน์ว่า การวัดนั้นถูกต้องหรือไม่ หากเราอธิบายการวัดผลใหม่ๆ ด้วยทฤษฎีเก่าๆ เราก็ไม่มีวันได้ทฤษฎีใหม่ เหมือนเมื่อร้อยกว่าปีก่อน อัลเบิร์ต มิเชลสัน (Albert Michelson) และ เอ็ดเวิร์ด มอร์เลย์ (Edward Morley) ได้วัดความเร็วแสงทั้งทิศทางที่โลกเคลื่อนไปและทิศทางตรงกันข้าม และพบว่าความเร็วแสงเท่ากันทั้งสองทิศทาง

“ผลการทดลองดังกล่าวเป็นหัวเชื้อแก่การพัฒนาทฤษฎีใหม่อย่างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (special relativity) หากพวกเขาอธิบายผลที่ได้ด้วยทฤษฎีเก่า ทฤษฎีของนิวตัน ผลงานของพวกเขาจะไม่มีวันได้รับการตีพิมพ์” ดร.เบอร์โตลุซซีกล่าว

อย่างไรก็ดี ปีหน้ากลุ่มวิจัย 2 กลุ่มของห้องปฏิบัติการกรานซัสโซ คือ “บอเรซิโน” (Borexino) และ “อิคารุส” (Icarus) จะทำการทดลองตรวจสอบผลการทดลองของกลุ่มโอเปรา ขณะเดียวกันการทดลองไมนอส (Minos) ของสหรัฐฯ และทีทูเค (T2K) ของญี่ปุ่นก็จะทำการทดสอบผลการค้นพบดังกล่าวเช่นกัน และคาดว่าอาจต้องใช้เวลาหลายเดือนกว่าที่พวกเขาจะได้รายงานผลย้อนกลับ