โนเบล 2015: นิวทริโนเปลี่ยนชนิดได้ จึงต้องมีมวล

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2015 มอบร่วมกันให้ ทากาอากิ คาจิตะ จากมหาวิทยาลัยโตเกียว และ อาร์เทอร์ แมคโดนัลด์ จากมหาวิทยาลัยควีนส์ ประเทศแคนาดา "สำหรับการค้นพบการแกว่งของนิวทริโน ซึ่งแสดงว่านิวทริโนมีมวล"

นิวทริโนสามชนิด

นิวทริโนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุและแทบไม่ทำปฏิกิริยากับอะไรเลย ทุกวินาทีมีนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ผ่านพื้นที่ขนาดเล็บนิ้วมือของเราราวหกหมื่นล้านตัว โดยแทบไม่มีตัวไหนชนอะไรเลย นิวทริโนมีสามชนิด เรียกว่าสามรสชาติ คือ นิวทริโนอิเล็กตรอน นิวทริโนมิวออน และนิวทริโนเทา ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคดั้งเดิม นิวทริโนไม่มีมวล และชนิดของมันคงที่ตลอดไป

ซูเปอร์คามิโอกันเด: นิวทริโนที่หายไปใต้เท้า

ซูเปอร์คามิโอกันเดเป็นถังน้ำบริสุทธิ์ราว 50,000 ตัน อยู่ใต้ภูเขาในญี่ปุ่นลึกราวหนึ่งกิโลเมตร ผนังติดหลอดจับแสงราวหนึ่งหมื่นหนึ่งพันหลอด ทีมของคาจิตะศึกษานิวทริโนมิวออนที่เกิดเมื่อรังสีคอสมิกชนบรรยากาศ นิวทริโนเหล่านี้มาจากทุกทิศ ทั้งจากฟ้าเหนือหัวซึ่งเดินทางมาแค่สิบกว่ากิโลเมตร และจากบรรยากาศอีกฟากของโลกซึ่งต้องทะลุโลกทั้งใบมาราว 12,700 กิโลเมตร ในปี ค.ศ. 1998 ทีมรายงานว่านิวทริโนมิวออนที่มาจากด้านล่างมีเพียงราวครึ่งหนึ่งของที่ควรเป็น ขณะที่ที่มาจากด้านบนครบ แปลว่าระหว่างทางที่ยาวกว่า นิวทริโนมิวออนเปลี่ยนไปเป็นชนิดอื่นที่เครื่องมองไม่เห็น

SNO: นับนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ครบทุกชนิด

ดวงอาทิตย์ผลิตนิวทริโนอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่การทดลองหลายแห่งตั้งแต่ทศวรรษ 1960 วัดได้เพียงราวหนึ่งในสามของที่ทฤษฎีทำนาย หอสังเกตการณ์นิวทริโนซัดเบอรี (SNO) ในแคนาดา ใช้น้ำมวลหนักราว 1,000 ตัน ลึกใต้ดินราวสองกิโลเมตร น้ำมวลหนักทำให้ SNO วัดได้สองแบบพร้อมกัน แบบแรกนับเฉพาะนิวทริโนอิเล็กตรอน แบบที่สองนับนิวทริโนทุกชนิดรวมกัน ในปี ค.ศ. 2001 และ 2002 ทีมของแมคโดนัลด์พบว่านิวทริโนอิเล็กตรอนมีราวหนึ่งในสามจริง แต่เมื่อนับทุกชนิดรวมกันกลับได้ครบตามที่แบบจำลองดวงอาทิตย์ทำนาย นิวทริโนไม่ได้หายไปไหน มันแค่เปลี่ยนชนิดระหว่างทางมายังโลก

การแกว่งและมวล

กลศาสตร์ควอนตัมบอกว่านิวทริโนแต่ละชนิดเป็นการผสมของสถานะที่มีมวลต่างกัน เมื่อเดินทาง ส่วนผสมนี้ค่อย ๆ เลื่อนเฟส ทำให้โอกาสที่จะพบเป็นชนิดเดิมแกว่งขึ้นลง ในกรณีที่คิดเพียงสองชนิด ความน่าจะเป็นที่นิวทริโนมิวออนจะกลายเป็นนิวทริโนเทาหลังเดินทางเป็นระยะ L คือ

เมื่อ \Delta m^2 คือผลต่างของกำลังสองของมวลในหน่วย \text{eV}^2 L เป็นกิโลเมตร และ E คือพลังงานเป็น GeV มุม \theta บอกว่าผสมกันมากแค่ไหน ถ้ามวลเท่ากัน \Delta m^2 = 0 และการแกว่งจะไม่เกิดเลย ดังนั้นการแกว่งที่วัดได้จึงพิสูจน์ว่านิวทริโนมีมวล

การแกว่งแบบนี้เกิดได้ก็ต่อเมื่อสถานะเหล่านั้นมีมวลต่างกัน ถ้ามวลเท่ากันหมด หรือไม่มีมวลเลย การแกว่งจะไม่เกิด การแกว่งที่วัดได้จึงพิสูจน์ว่านิวทริโนมีมวล

ค่าที่วัดได้จากนิวทริโนในบรรยากาศคือ \Delta m^2 \approx 2.5 \times 10^{-3}\ \text{eV}^2 ซึ่งจากผลต่างของมวลที่วัดได้ สำหรับนิวทริโนพลังงาน 1 GeV ทำให้การแกว่งรอบแรกเกิดที่ระยะราว 500 กิโลเมตร นิวทริโนจากฟ้าเหนือหัวจึงยังไม่ทันแกว่ง ส่วนที่ทะลุโลกมาแกว่งไปมาหลายรอบ จนเฉลี่ยแล้วเหลือราวครึ่งหนึ่ง ตรงกับที่ซูเปอร์คามิโอกันเดเห็น

ผลนี้บอกว่านิวทริโนอย่างน้อยหนึ่งชนิดต้องหนักอย่างน้อยราว 0.05 eV แต่การวัดโดยตรงของการทดลอง KATRIN ในปี ค.ศ. 2025 บอกว่ามวลไม่เกิน 0.45 eV เบากว่าอิเล็กตรอนเกินล้านเท่า ทำไมนิวทริโนจึงเบาขนาดนี้ยังเป็นปริศนา และเป็นรอยร้าวแรกที่ชัดเจนในแบบจำลองมาตรฐาน