โลกของนิวตริโนฟิสิกส์ได้ก้าวไปไกลในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา เมื่อความคิดที่น่ากลัวของนักฟิสิกส์อนุภาคได้รับการแนะนำเพื่ออธิบายบางสิ่งที่หายไปแทนที่จะเป็นบางสิ่งที่มีอยู่ นิวตริโนได้พิสูจน์แล้วว่ามีความน่าสนใจพอๆ กับควาร์ก กลูออน และอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ทั้งหมด แท้จริงแล้ว พวกเขาอาจสามารถอธิบายหนึ่งในปริศนาที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ นั่นคือสสารในจักรวาลมาจากไหน
ตามแบบจำลอง
ของบิ๊กแบง เอกภพเริ่มขึ้นเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อน โดยเป็นบริเวณเล็กๆ ของพลังงานบริสุทธิ์ที่ขยายตัวและเย็นลงเพื่อสร้างเอกภพที่เราเห็นในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ในบรรดาความสำเร็จมากมายของแบบจำลองนี้ มีปัญหาที่เห็นได้ชัดอย่างน้อยหนึ่งข้อ นั่นคือ เอกภพถูกครอบงำด้วยสสารและมีปฏิสสารน้อย
มาก กฎของฟิสิกส์อนุญาตให้เปลี่ยนพลังงานเป็นสสารได้ แต่ต้องมีการผลิตปฏิสสารในปริมาณเกือบเท่ากันในกระบวนการนี้ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนว่าคำตอบของปริศนานี้อาจมาจากสิ่งที่คาดไม่ถึง นั่นคือพฤติกรรมของนิวตริโน วิธีที่เราได้ข้อสรุปที่น่าตกใจนี้เป็นเรื่องที่น่าสนใจ และเช่นเดียวกับกรณีทางวิทยาศาสตร์
เรื่องราวเริ่มต้นด้วยปัญหาที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงการกำเนิดของนิวตริโนแนวคิดของนิวตริโนย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1930 เมื่อนักวิจัยสังเกตว่าพลังงานดูเหมือนจะหายไปเมื่อนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งสลายตัวเป็นอีกนิวเคลียสบวกกับอิเล็กตรอน ใช้ “วิธีการรักษาที่สิ้นหวัง”
เพื่ออธิบายสถานการณ์ โดยเสนอว่าพลังงานที่หายไปนั้นถูกพัดพาไปโดยอนุภาคที่สามที่ปล่อยออกมาในการสลายตัว สำหรับผู้อ่านยุคใหม่ สิ่งนี้อาจดูไม่ปฏิวัติเป็นพิเศษ แต่ในสมัยของเพาลี มีเพียงสองอนุภาคที่รู้จัก คือ อิเล็กตรอนและโปรตอน ดังนั้นการแนะนำอนุภาคที่สามจึงถือว่ารุนแรงมาก
เป็นที่เข้าใจกันว่า ไม่เต็มใจที่จะเผยแพร่แนวคิดนี้ในตอนแรก และถึงกับขอโทษในภายหลังสำหรับการทำนายอนุภาคที่เขาคิดว่าไม่สามารถตรวจจับได้ (หากมีเพียงนักทฤษฎีสมัยใหม่เท่านั้นที่มีความกังวลในทำนองเดียวกัน!) นี่เป็นเพราะ “นิวตริโน” ของเขาตาม ตั้งชื่อพวกมันว่าไม่มีประจุไฟฟ้า
และจะมีปฏิกิริยา
กับสสารอื่นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น น่ายินดีที่ Pauli ได้รับการพิสูจน์ว่าคิดผิดและมีชีวิตอยู่เพื่อเป็นสักขีพยานในการตรวจจับนิวตริโนที่ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1953 ผู้ล่วงลับ แต่สาขาฟิสิกส์ของอนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่ไม่ได้จบเพียงแค่นั้น เราได้ค้นพบโพซิตรอน (สารต่อต้านอิเล็กตรอน) พิออน มิวออน
และอนุภาคใหม่อื่นๆ อีกมากมาย พร้อมกับมิวออนนิวตริโนอีกตัวหนึ่งซึ่งปัจจุบันเรียกว่ามิวออนนิวตริโน ν μซึ่งพบว่าแตกต่างจากนิวตริโนอิเล็กตรอนที่เสนอจากนั้น หลังจากการค้นพบเทาเลปตอนในปี พ.ศ. 2518 ก็เห็นได้ชัดว่ามี “รสชาติ” ที่สามของนิวตริโน: นิวตริโนเอกภาพ ν τซึ่งถูกตรวจพบในที่สุด
ในปี พ.ศ. 2543 โดยการทดลอง ในสหรัฐอเมริกาในขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงเช่นโปรตอนและไพออนจำนวนมากถูกนำเข้าสู่ระเบียบโดยแบบจำลองควาร์ก เมื่อรวมกับอนุภาคอื่นๆ จำนวนหนึ่งที่สามารถอธิบายแรงระหว่างอนุภาคมูลฐานได้ ทำให้เราได้ภาพฟิสิกส์ของอนุภาค
ที่ค่อนข้าง
เรียบง่ายแต่ทรงพลังมาก ในแบบจำลองนี้ ในขั้นต้นนิวตริโนได้รับการพิจารณาว่าไม่มีมวลอย่างเคร่งครัดและจะมีปฏิสัมพันธ์ผ่านอันตรกิริยาที่อ่อนแอเท่านั้น แม้ว่าจะมีการแลกเปลี่ยนอนุภาค “Z” และ “W” อย่างไรก็ตาม ความเป็นจริงกลับซับซ้อนกว่านี้เล็กน้อย มีปัญหากับดวงอาทิตย์
ในช่วงทศวรรษที่ 1960 ขณะที่นักฟิสิกส์อนุภาคคนอื่นๆ กำลังตรวจสอบอนุภาคที่เพิ่งค้นพบเหล่านี้ทั้งหมด เรย์ เดวิส จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวนในสหรัฐอเมริกากำลังติดตามแนวคิดของการใช้นิวตริโนเป็นยานสำรวจ เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักดาราศาสตร์คิดว่าแหล่งพลังงานที่เป็นไปได้มาก
ในปฏิกิริยาฟิวชันพื้นฐานในดวงอาทิตย์ โปรตอน 4 ตัวจะถูกแปลงเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ปล่อยโพซิตรอน 2 ตัวและนิวตริโนอิเล็กตรอน 2 ตัวในกระบวนการนี้ นิวตริโนเหล่านี้มีพลังงานที่หลากหลายและพวกมันจำนวนมากหนีออกจากดวงอาทิตย์โดยไม่ทำปฏิกิริยากับสิ่งใด พุ่งเข้าหาโลกด้วยความเร็ว
ใกล้เคียงกับแสง แต่ความน่าจะเป็นที่น้อยมากที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับสสารที่ทำให้นิวตริโนตรวจจับได้ยาก
เดวิสจัดการกับปัญหานี้โดยใช้เทคนิคจากเคมีรังสีที่เสนอโดยบรูโน ปอนเตคอร์โว ขณะอยู่ที่ห้องปฏิบัติการชอล์คริเวอร์ ประเทศแคนาดา ในปี 2489 โดยรวบรวมอะตอมเป้าหมายจำนวนมากซึ่งบางครั้ง
จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งกระตุ้นโดยนิวตริโนสุริยะ เดวิสเลือกไอโซโทปของคลอรีนเป็นเป้าหมาย ซึ่งเขาจัดการเพื่อให้ได้มาในราคาที่ยอมรับได้ในรูปของน้ำยาทำความสะอาด 600,000 ลิตร จากนั้นนิวตริโนจากดวงอาทิตย์จะทำปฏิกิริยากับคลอรีนเพื่อผลิตอะตอมของสารกัมมันตภาพรังสีอาร์กอน
ซึ่งสามารถ “รวมตัวกัน” และนับทีละอะตอมได้ เมื่อทราบความน่าจะเป็นที่นิวตริโนจะกระตุ้นปฏิกิริยาในตอนแรก จึงเป็นไปได้ที่จะอนุมานฟลักซ์ของนิวตริโนจากแสงอาทิตย์ได้ผลการทดลองครั้งแรกที่กล้าหาญนี้ได้รับการประกาศในปี 2511 และทำให้เกือบทุกคนประหลาดใจ ทีม ตรวจพบนิวตริโน
ประมาณ 30% เท่านั้นที่คาดการณ์ได้จากแบบจำลองพลังงานแสงอาทิตย์ที่ดีที่สุดที่มีอยู่ ซึ่งก็คือแบบจำลองที่พัฒนาและเพื่อนร่วมงาน ในตอนแรก นักวิจัยสงสัยว่าจะเห็นอะตอมของอาร์กอนเพียงไม่กี่อะตอมในของเหลวปริมาณมหาศาลหรือไม่ แต่หลังจากการทดสอบอย่างเข้มงวด ดูเหมือนว่า
การทดลองนั้นไม่ได้เกิดจากความผิดพลาด อย่างไรก็ตาม ข้อพิสูจน์ที่แท้จริงว่า “ปัญหาสุริยะ-นิวตริโน” ยังคงอยู่จนกระทั่งยี่สิบปีต่อมา เมื่อการทดลองคามิโอคันเดะในญี่ปุ่นยืนยันผลลัพธ์ของเดวิส และโฆษกแห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2545 สำหรับงานบุกเบิกของพวกเขา
