ใครๆ ในโลกต่างก็ยกย่องและยอมรับความสามารถด้านฟิสิกส์ของ Enrico Fermi แล้วตัว Fermi เองชื่นชมใคร
คำตอบคือ Galileo Galilei, Isaac Newton, Albert Einstein และ Ettore Majorana ผู้มีผลงานฟิสิกส์ทฤษฎีของอนุภาค neutrino ชนิดใหม่ที่สามารถตอบคำถามที่ว่า เหตุใดเอกภพจึงมีสสาร (matter) ในปริมาณมากกว่าที่ปฏิสสาร (antimatter)
แม้กระทั่งวันนี้ยังไม่มีใครพบ Majorana neutrino แต่วันใดที่พบ นักฟิสิกส์คนนั้นก็ลงมือจัดกระเป๋าเดินทางไป Stockholm เพื่อรับรางวัลโนเบลประจำปีนั้นได้เลย
ทั้งๆ ที่มีผลงานสำคัญดังกล่าว แต่โลกก็ไม่มีคนที่รู้จัก Majorana มาก เพราะนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียนผู้นี้เป็นบุรุษลึกลับที่ได้หายสาบสูญไปจากโลกอย่างไม่มีใครรู้ว่า ตายไปแล้ว หรือยังมีชีวิตอยู่ ฆ่าตัวตายหรือถูกลักพาตัว หรือจงใจหลบซ่อนตัวไม่ให้ใครพบเห็น จนกระทั่งวันนี้
ความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ของ Majorana คือเป็นคนที่ทำนายว่า อนุภาค neutrino มีมวล ก่อนที่นักฟิสิกส์จะพิสูจน์ได้ว่า คำพยากรณ์ของ Majorana เป็นความจริงในอีก 60 ปีต่อมา
อนาคตที่สดใสของนักฟิสิกส์หนุ่มท่านนี้ ได้ถูกบั่นสั้นขณะมีวัยเพียง 31 ปี เท่านั้นเอง ในระหว่างที่ขณะเดินทางเรือจากเมือง Palermo ไป Naples ในอิตาลี และจากไปโดยไม่มีใครพบศพ ตำรวจที่เข้ามาสอบสวนเรื่องการหายตัวอย่างไร้ร่องรอยของ Majorana มีความเห็นต่างๆ นานา เช่น เขาถูกลักพาตัวไป หรืออพยพหนีไปต่างประเทศแล้วใช้ชื่ออื่น
รายงานการเดินทางของ Majorana ที่ตำรวจได้จากการสืบค้น แสดงให้เห็นว่า
เมื่อวันที่ 26 มีนาคม ค.ศ.1938 ท่านผู้อำนวยการ Antonio Carrelli แห่งสถาบันฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Naples ได้รับโทรเลขฉบับหนึ่งที่ถูกส่งจากเมือง Palermo บนเกาะ Sicily ในอิตาลีว่า Majorana คิดจะฆ่าตัวตาย และจะมีโทรเลขติดตามในวันต่อมา
ในเวลาเช้าของวันที่ 27 มีนาคม Carelli ก็ได้รับโทรเลขหนึ่งฉบับตามที่ Majorana สัญญา แต่ในเอกสารฉบับนั้น Majorana บอก ตนได้ล้มเลิกความตั้งใจจะฆ่าตัวตายแล้ว แต่ก็ไม่ได้บอกว่าเรือจะถึงเมือง Naples เมื่อไร
หลังจากที่ได้เฝ้าคอยเป็นเวลาหลายวัน Majorana ก็ยังไม่ปรากฏตัวที่ Naples ท่านผู้อำนวยการ Carelli จึงโทรศัพท์ถึง Fermi ที่โรม จากนั้นทุกคนก็เริ่มกังวล
Ettora Majorana เกิดเมื่อวันที่ 5 สิงหาคม ค.ศ.1906 ที่เมือง Catania บนเกาะ Sicily เป็นบุตรคนที่ 4 ของครอบครัวที่มีลูกชาย 5 คน บรรดาญาติของตระกูลล้วนเป็นคนฉลาด และมีชื่อเสียง Majorana ได้บิดาเป็นครูสอนหนังสือให้ตั้งแต่อายุยังน้อย จนกระทั่งอายุ 15 ปี ครอบครัวจึงได้อพยพไป Rome และ Majorana เข้าเรียนวิศวกรรมศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Roma
เมื่ออายุ 21 ปี ผู้อำนวยการสถาบันฟิสิกส์ในเวลานั้นซึ่งเป็นนักการเมืองได้ชักชวนให้นิสิตวิศวะที่เรียนดีให้มาเรียนฟิสิกส์ ซึ่งก็ได้ผล เพราะคนที่ตั้งใจจะเบนเข็มอาชีพ ได้แก่ Emilio Segrè (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1959 จากการพบอนุภาค antiproton) กับ Majorana คนทั้งสองมี E. Fermi เป็นคนสอนฟิสิกส์ให้อย่างซาบซึ้งน่าประทับใจ จนทำให้ตัดสินใจทิ้งวิศวกรรมศาสตร์มาเรียนฟิสิกส์เต็มตัว
Majorana ตีพิมพ์ผลงานชิ้นแรก เมื่ออายุได้ 22 ปี ทั้งๆ ที่ยังเป็นนิสิตปริญญาตรีด้วยผลงานการคำนวณสเปกตรัมพลังงานของอะตอม gadolinium, uranium และ caesium และสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทด้วยวิทยานิพนธ์เรื่อง ทฤษฎีควอนตัมของนิวเคลียสกัมมันตรังสีในวัย 23 ปี
อีก 3 ปีต่อมา ผลงานด้านทฤษฎีกลุ่ม (group theory) ที่ Majorana ใช้ในการศึกษาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอนุภาคที่มีโมเมนตัมเชิงมุมต่างๆ ได้รับการตีพิมพ์และเป็นผลงานที่วางรากฐานให้ Eugene Wigner ใช้ในการพัฒนาวิชากลศาสตร์ควอนตัมของอะตอม จนทำให้ Wigner ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1963
ผลงานที่น่าประทับใจเหล่านี้ ทำให้ Fermi ส่งตัว Majorana ไปฝึกทำงานวิจัยในเยอรมนีกับ Werner Heisenberg, Felix Bloch, Niels Bohr และ Victor Weisskopf ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ระดับแนวหน้าของโลก
Majorana ได้เสนอผลงานทฤษฎีสมมาตรของอิเล็กตรอน และโพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอนที่มีประจุตรงข้ามกัน แต่มีสมบัติกายภาพอื่นๆ เหมือนกันหมด ทำให้ Fermi พิจารณาแต่งตั้งให้ Majorana วัย 32 ปีเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มีอายุน้อยที่สุดคนหนึ่งของอิตาลี
ในวันที่ 25 มีนาคม ค.ศ.1938 Majorana ได้นำคำบรรยายที่ใช้สอนไปมอบให้แก่นิสิตที่สถาบันฟิสิกส์ในเนเปิล แล้วเขียนจดหมายบอกทุกคนว่าจะลงเรือไป Palermo และคาดจะถึงจุดหมายปลายทางในวันรุ่งขึ้น
เมื่อถึงเวลาจะต้องเดินทางกลับ Majorana จึงไปลงเรือที่ Palermo แล้วหายสาบสูญไปอย่างไร้ร่องรอย จนทำให้คนในวงการตั้งข้อสันนิษฐานไว้มากมาย เช่น ว่าหนีไปบวช หนีไปต่างประเทศ หรือมีปัญหากับแม่ ซึ่งหวงลูกชายมาก จนลูกต้องดำน้ำหายไป
ในปี 2006 Olag Zaslavskii แห่งมหาวิทยาลัย Karazin Kharkiv ที่ Ukraine ได้เสนอทฤษฎีการหายตัวของ Majorana ว่า เงื่อนงำทั้งหลายที่เกิดขึ้นนี้เป็นไปตามแผนของ Majorana เองในการแสดงให้เห็นหลักการ superposition ของกลศาสตร์ควอนตัมที่ว่า อนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในสถานะที่ต่างกันได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งเปรียบเสมือนแมว Schroedinger ที่สามารถตายก็ได้ และมีชีวิตก็ได้ในเวลาเดียวกัน ด้วยเหตุผลต่อไปนี้ คือเมื่อพิจารณาจดหมายที่ Majorana ส่งไปให้ญาติ และให้ผู้อำนวยการสถาบัน ในเบื้องต้น Majorana บอกว่า ต้องการจะฆ่าตัวตาย จากนั้นก็ตามด้วยโทรเลข ซึ่งปฏิเสธความตั้งใจเดิม การติดตามความคืบหน้าของเอกสารที่ Majorana เขียน แสดงให้เห็นว่า Majorana เขียนจดหมายถึงผู้อำนวยการอีกเป็นฉบับที่สามและบอกว่า เขาคาดว่า ผู้อำนวยการคงได้รับจดหมายสองฉบับแรกพร้อมกัน
นี่เป็นการแสดงให้เห็นว่า Majorana ตั้งใจบอกความจริงเรื่องหนึ่งที่เป็นไปได้ของกลศาสตร์ควอนตัมที่ว่าการฆ่าตัวตายกับการไม่ฆ่าตัวตายเกิดขึ้นได้ในเวลาเดียวกัน
การศึกษาจากเอกสารอื่นๆ ที่ Majorana เขียนที่แสดงว่า เขาเคยจ้างคนปลอมตัวเป็น ขณะเดินทางโดยเรือ ซึ่งเป็นการกระทำที่แปลกและไม่เหมือนคนทั่วไป และนี่คงเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์อัจฉริยะผู้นี้ได้วางแผนให้โลกงุนงงกับแผนที่อยู่ในใจเขา
นั่นคือ ในโลกหนึ่งนักฟิสิกส์ Majorana ฆ่าตัวตาย แต่ในอีกโลกหนึ่ง Majorana ยังมีชีวิตอยู่ และนี่ก็คือการอุบัติของโลกคู่ขนานที่ Majorana อยู่
สำหรับเรื่อง Majorana นิวตริโนนั้น นิสิตฟิสิกส์ทุกคนรู้ดีว่า ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีที่ปล่อยอนุภาคบีต้า (อิเล็กตรอน) ออกมา ปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้ 3 รูปแบบ คือ
(1) การสลายให้อนุภาคบีต้าแบบมาตราฐาน (standard beta-decay) นี่เป็นเหตุการณ์ที่อนุภาคนิวตรอนในนิวเคลียสปล่อยอิเล็กตรอน และ antineutrino ออกมา แล้วนิวตรอนกลายเป็นโปรตอน ในการทดลองใช้นิวเคลียสที่เสถียรปรากฏว่า ครึ่งชีวิตของเหตุการณ์นี้ (เวลาที่อนุภาคนิวตรอนอิสระจำนวนครึ่งหนึ่งจะสลายตัวมีค่าประมาณ 14 นาที แต่ในนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ครึ่งชีวิตของนิวตรอนจะสั้นมาก คือ ภายในเวลาระดับมิลลิวินาทีเท่านั้นเอง
(2) การสลายให้อนุภาคบีต้าคู่ (double beta-decay) นี่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดในนิวเคลียสที่เสถียร ซึ่งมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขจำนวนคู่ (2, 4, 16, ...22) แล้วนิวตรอน 2 อนุภาคเปลี่ยนไปเป็นโปรตอน 2 อนุภาค พร้อมกันนั้นก็ปล่อยอิเล็กตรอนกับ antineutrino ออกมา อย่างละ 2 อนุภาค ด้วยรวมเป็น 4 อนุภาค (คือเปลี่ยนจากนิวตรอนเป็นโปรตอนพร้อมกัน นี่เป็นปรากฏการณ์ที่นักฟิสิกส์ได้เห็นเป็นครั้งแรก เมื่อปี 1987 นี้เอง เมื่อ Michael Moe พบว่า ครึ่งชีวิตของปรากฏการณ์นี้มีค่าเฉลี่ยประมาณล้าน ล้าน ล้านปี (เอกภพมีอายุประมาณหนึ่งพันสี่ร้อยล้านปี)
(3) การสลายให้อนุภาคบีต้าคู่ แต่ไม่ให้ neutrino (neutrino-less double beta decay) นี่คือเหตุการณ์ที่อนุภาคนิวตรอน 2 อนุภาคเปลี่ยนเป็นโปรตอน 2 อนุภาค และปล่อยอิเล็กตรอนออกมา 2 อนุภาค แต่ไม่มีอนุภาค antineutrino เล็ดรอดออกมาให้เห็น
ทฤษฎีอนุภาคมูลฐานทำนายว่าเหตุการณ์นี้ สามารถเกิดขึ้นได้โดยมีครึ่งชีวิตประมาณหมื่นล้านล้านล้านปี
ตราบถึงวันนี้ก็ยังไม่มีใครเห็นเหตุการณ์นี้เลย จนทำให้นักฟิสิกส์ทุกคนตระหนักว่านี่เป็นการทดลองที่โคตรยาก อาจเปรียบเทียบได้กับการค้นหาคลื่นโน้มถ่วง หรือการสร้างเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัม) อีกทั้งเป็นการทดลองที่มีความสำคัญมาก เพราะแสดงให้เห็นว่า neutrino เป็นอนุภาคพื้นฐานชนิดเดียวเท่านั้นที่ไม่แตกต่างจาก antineutrino เลย ในขณะที่อิเล็กตรอนมีความแตกต่างจาก positron และ antiproton ก็แตกต่างจาก proton
ในปี 2001 Hans Klapdor-Kleingrothaus กับคณะแห่งสถาบัน Max Planck Institute for Nuclear Physics ที่เมือง Heidelberg ในเยอรมนีอ้างว่า ทีมวิจัยของเขาเห็นเหตุการณ์ neutrinoless double beta-decay ในห้องปฏิบัติการที่ Gran Sasso National Laboratory ของ Italy แล้ว แต่ไม่มีใครเชื่อ
คณะทดลองกลุ่มนี้ให้เหตุผลว่า ในการใช้เครื่องตรวจจับซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำ germanium-76 ที่หนัก 11.5 กิโลกรัม และบริสุทธิ์ 86% เพราะ germanium เป็นธาตุ 1 ใน 12 ที่สลายตัวให้อนุภาคบีต้าคู่ ซึ่งถ้าเครื่องตรวจจับได้จะปรากฏในรูปของกระแสไฟฟ้า
การทดลองในห้องใต้ดินที่ระดับลึก 1,400 เมตร ซึ่งมีฉากกำบังรังสีคอสมิก ที่ทำด้วยแผ่นตะกั่ว และแผ่นทองแดงที่หนามาก เพื่อไม่ให้อนุภาคอื่นใด สามารถทะลุทะลวงเข้ามารบกวนได้
แม้หัวหน้าทีมวิจัยจะยืนยันการเห็นเหตุการณ์ที่โลกรอคอย แต่นักวิจัยอื่นที่ร่วมงานกลับไม่เห็นด้วย จึงขอลาออกจากการร่วมโครงการเป็นการประท้วง
ลุถึงปี 2015 เมื่อ Takaaki Kajita กับ Arthur B. McDonald ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์จากการพบว่า neutrino มี 3 ชนิด คือ electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino ซึ่งสามารถเปลี่ยนชนิดได้ ขณะกำลังเคลื่อนที่ ซึ่งการ “กวัดแกว่ง” (oscillation) เปลี่ยนแปลงไปมาในลักษณะนี้เป็นปรากฏการณ์ควอนตัมที่สามารถเกิดขึ้นได้ ถ้า neutrino มีมวล ซึ่งคาดว่ามีค่าน้อยกว่า 1electronvolt คือ น้อยกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1 ล้านเท่า และการมีมวลน้อยมากเช่นนี้ ทำให้นักฟิสิกส์คิดว่า เพราะ neutrino เป็นอนุภาค Majorana ที่ไม่มีประจุ ดังนั้น neutrino จึงไม่แตกต่างจาก antineutrino ในขณะที่ electron ที่มีประจุลบแตกต่างจาก positron ที่มีประจุบวก และ quark เองก็แตกต่างจาก antiquark เพราะมีประจุตรงกันข้าม
เมื่อปีกลายนี้ การทดลองของ A. Gando กับคณะที่เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters คณะทดลองชุดนี้ไม่ได้เห็นการสลายตัวให้อนุภาคบีต้าคู่ และไม่ให้นิวตริโน ซึ่งหมายความว่า ถ้าอนุภาค Majorana neutrino มีจริง ครึ่งชีวิตของปฏิกิริยาการสลายตัวต้องนานกว่าที่ทุกคนคิดคือร้อยล้านล้านล้านล้านปี
ความยากลำบากในการสังเกตเหตุการณ์นี้อาจเกิดจากหลายสาเหตุ ประการแรก คือ อิเล็กตรอนจากสิ่งแวดล้อมซึ่งมีพลังงานต่างๆ กันเข้ามารบกวน การวัดในขณะที่อิเล็กตรอนที่ได้จากการสลายตัวมีพลังงานรวมกันคงตัว ดังนั้นอุปกรณ์ตรวจจับอิเล็กตรอนคู่นี้จะต้องมีประสิทธิภาพมาก จึงจะสามารถแยกอิเล็กตรอนที่มาจากสองแหล่งที่แตกต่างกันได้ และทีมทดลองก็ได้พบว่า อุปกรณ์ตรวจจับที่ทำด้วย tellurium dioxide Te-130 และ germanium Ge-76 สามารถทำงานได้ดีมาก
การค้นหาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้อย่างโคตรยากนี้ ต้องดำเนินต่อไป เพราะนักฟิสิกส์เชื่อว่า การเห็นเหตุการณ์นี้จะทำให้เราเข้าใจได้ว่า เหตุใดเอกภพจึงประกอบด้วยสสารมากกว่าปฏิสสาร ทั้งๆ ที่เมื่อเกิด Big Bang สสารกับปฏิสสารอุบัติในปริมาณเท่าๆ กัน แต่การมี Majorana neutrino ได้ทำให้ในเบื้องต้น matter มีปริมาณมากกว่า antimatter จากนั้นการประลัย (annihilation) ระหว่าง matter กับ antimatter ได้ทำให้เอกภพเหลือแต่ matter เป็นส่วนใหญ่
อ่านเพิ่มเติม จาก The Physics of Neutrinos โดย V, Barger, et al. จัดพิมพ์โดย Princeton University Press ในปี 2012
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
