นิวทริโน: อนุภาคผีที่ทะลุโลกได้

ในปี ค.ศ. 1930 โวล์ฟกัง เพาลี เสนออนุภาคชนิดใหม่เพื่ออธิบายว่าทำไมพลังงานดูเหมือนหายไปในการสลายบีตา เขาเขียนว่าได้ทำสิ่งที่นักฟิสิกส์ไม่ควรทำ คือเสนออนุภาคที่ไม่มีทางตรวจวัดได้ อนุภาคนี้ได้ชื่อว่านิวทริโน แปลว่า "สิ่งเล็ก ๆ ที่เป็นกลาง" และต้องรออีก 26 ปีกว่าจะตรวจพบได้จริงในปี ค.ศ. 1956

ทำไมจับยาก

นิวทริโนไม่มีประจุไฟฟ้าและไม่สัมผัสแรงอย่างเข้ม มันมีปฏิกิริยากับสสารผ่านแรงอย่างอ่อนเท่านั้น ซึ่งมีระยะทำการสั้นมาก นิวทริโนจากดวงอาทิตย์ส่วนใหญ่จึงทะลุโลกทั้งใบไปได้โดยไม่ชนกับอะไรเลย ต้องใช้ตะกั่วหนาราวหนึ่งปีแสงจึงจะหยุดนิวทริโนได้ครึ่งหนึ่ง

ดวงอาทิตย์เป็นโรงงานนิวทริโน

ทุกครั้งที่โปรตอนสี่ตัวรวมกันเป็นฮีเลียมในแกนดวงอาทิตย์ จะมีนิวทริโนเกิดขึ้นสองตัว ดวงอาทิตย์จึงปล่อยนิวทริโนออกมาราว 2 × 10³⁸ ตัวต่อวินาที ที่ระยะโลก ฟลักซ์คือ

ราวเมื่อมาถึงโลก นิวทริโนผ่านไปราว 65,000 ล้านตัวต่อตารางเซนติเมตรต่อวินาที ทั้งกลางวันและกลางคืน เพราะนิวทริโนทะลุผ่านโลกขึ้นมาจากด้านล่างได้ แสงจากแกนดวงอาทิตย์ต้องใช้เวลานับหมื่นปีกว่าจะออกมาถึงผิว แต่นิวทริโนหนีออกมาได้ทันที นิวทริโนจึงบอกเราว่าแกนดวงอาทิตย์กำลังทำอะไรอยู่ ตอนนี้

จับนิวทริโนอย่างไร

เครื่องตรวจวัดนิวทริโนต้องใหญ่มากและอยู่ลึกใต้ดินเพื่อกันรังสีคอสมิก เช่น ซูเปอร์คามิโอกันเดในญี่ปุ่น เป็นถังน้ำบริสุทธิ์ 50,000 ตันอยู่ใต้ภูเขาลึกหนึ่งกิโลเมตร เมื่อนิวทริโนชนอิเล็กตรอนในน้ำ อิเล็กตรอนพุ่งเร็วกว่าความเร็วแสงในน้ำ (แต่ช้ากว่าแสงในสุญญากาศ) และปล่อยแสงสีน้ำเงินจาง ๆ ที่ตัวจับแสงหลายหมื่นตัวรอบถังตรวจได้ ส่วนไอซ์คิวบ์ที่ขั้วโลกใต้ใช้น้ำแข็งขนาดหนึ่งลูกบาศก์กิโลเมตร

นิวทริโนเปลี่ยนชนิดได้

นิวทริโนมีสามชนิด คู่กับอิเล็กตรอน มิวออน และเทา การทดลองช่วงปลายคริสต์ทศวรรษ 1960 พบนิวทริโนจากดวงอาทิตย์เพียงราวหนึ่งในสามของที่ทำนาย ปริศนานี้คลายได้เมื่อพบว่านิวทริโนเปลี่ยนชนิดไปมาระหว่างเดินทาง ซึ่งเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อนิวทริโนมีมวล แม้จะน้อยมาก (น้อยกว่าอิเล็กตรอนหลายแสนเท่า) การค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2015

นิวทริโนจากซูเปอร์โนวา

เมื่อแกนของดาวมวลมากยุบตัว พลังงานราว 99% ของการระเบิดถูกพาออกไปโดยนิวทริโน ในปี ค.ศ. 1987 เครื่องตรวจวัดในญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกาจับนิวทริโนจากซูเปอร์โนวา 1987A ในเมฆแมเจลแลนใหญ่ได้รวมกันราว 25 ตัว มาถึงก่อนแสงของการระเบิดหลายชั่วโมง นี่คือครั้งแรกที่ตรวจพบนิวทริโนจากนอกระบบสุริยะ