เครื่องตรวจจับนิวตริโนจักรวาลเผยเบาะแสเกี่ยวกับมวลอนุภาคที่น่ากลัว

การทดลอง IceCube ที่ฝังอยู่ใต้น้ำแข็งแอนตาร์กติกได้รับการออกแบบมาเพื่อดักจับอนุภาคที่เรียกว่านิวตริโนซึ่งเกิดจากเหตุการณ์จักรวาลอันทรงพลังแต่ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้เกี่ยวกับธรรมชาติพื้นฐานของอนุภาคที่น่ากลัวเหล่านี้ในการประชุมของ American Physical Society (APS) ในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. ในสัปดาห์นี้ นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกับ IceCube ได้นำเสนอผลลัพธ์ใหม่ที่นำไปสู่ความลึกลับอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับธรรมชาติของนิวตริโน อนุภาคเหล่านี้ไหลลงสู่พื้นโลก

จากดวงอาทิตย์ แต่ส่วนใหญ่ผ่านสิ่งปกติโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง เช่น ผี

ผลลัพธ์ใหม่นี้สนับสนุนหลักฐานของความสมมาตรที่แปลกประหลาดในการวัดมวลนิวตริโนหนึ่งก้อน ในฟิสิกส์อนุภาค ความสมมาตรมักบ่งบอกถึงฟิสิกส์พื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ค้นพบ [ พบนิวตริโนจากนอกระบบสุริยะ (ภาพ) ]

นิวตริโนเป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติ พวกมันไม่ใช่อนุภาคที่ประกอบเป็นอะตอม (นั่นคืออิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน) นิวตริโนแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติมากนัก ดังนั้นพวกมันจึงไม่มีอิทธิพลต่อมนุษย์เลย (เว้นแต่คุณจะเป็นนักฟิสิกส์อนุภาคที่ศึกษาพวกมัน) ดวงอาทิตย์สร้างนิวตริโนเป็นกลุ่มๆ แต่ส่วนใหญ่แล้ว อนุภาคเหล่านั้นจะไหลผ่านโลก เหมือนกับภูตผี 

หอดูดาว IceCube Neutrino เป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ฝังอยู่ใต้น้ำแข็ง 0.9 ไมล์ (1.45 กิโลเมตร) ในทวีปแอนตาร์กติกา น้ำแข็งเป็นเกราะป้องกันจากรังสีและอนุภาคประเภทอื่นๆ ที่อาจครอบงำกรณีที่หาได้ยากเมื่อนิวตริโนมีปฏิสัมพันธ์กับเครื่องตรวจจับและสร้างสัญญาณให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษา 

นิว ตริโนมีสาม “รสชาติ” ได้แก่เทานิวตริโน มิวออนนิวตริโน และอิเล็กตรอนนิวตริโน เป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์ถกเถียงกันว่านิวตริโนมีมวลหรือคล้ายกับโฟตอน (อนุภาคของแสง) ซึ่งถือว่าไม่มีมวล ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่านิวตริโนมีมวล และรางวัลโนเบลปี 2015ได้รับรางวัลสำหรับการทำงานกับนิวตริโน รวมถึงการสอบสวนมวลนิวทริโนด้วย 

แต่การพูดว่านิวตริโนมีมวลไม่เหมือนกับการพูดว่าหินหรือแอปเปิลมีมวล 

นิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีอยู่ในโลกควอนตัมและโลกควอนตัมนั้นแปลกประหลาด แสงสามารถเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค แมวสามารถเป็นได้ทั้งชีวิตและความตาย ดังนั้นจึงไม่ใช่ว่าแต่ละรสชาติของนิวทริโนจะมีมวลของมันเอง แต่รสชาติของนิวตริโนรวมกันเป็นสิ่งที่เรียกว่า “มวลไอเกนสเตต” และนั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์วัด (เพื่อจุดประสงค์ของความเรียบง่าย คำแถลงของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกนที่อธิบายการค้นพบใหม่นี้เรียกกลุ่มไอเกนสเตตว่า “สปีชีส์นิวทริโน”) 

“หนึ่งในคำถามที่โดดเด่นคือมีรูปแบบของเศษส่วนที่เข้าไปในนิวตริโนแต่ละสปีชีส์หรือไม่” Tyce DeYoung รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกนและหนึ่งในผู้ทำงานร่วมกันของ IceCube ที่ทำงานเกี่ยวกับการค้นพบใหม่กล่าว สเปซ.คอม 

นิวตริโนสปีชีส์หนึ่งดูเหมือนจะประกอบด้วยอิเล็กตรอนนิวตริโนเป็นส่วนใหญ่ โดยมีมิวออนและเทานิวตริโนบางส่วน นิวทริโนชนิดที่สองดูเหมือนจะผสมกันเกือบเท่ากันของทั้งสาม; และข้อที่สามยังคงเป็นเรื่องลึกลับอยู่บ้าง แต่การศึกษาก่อนหน้าหนึ่งชี้ให้เห็นว่ามันอาจจะแยกออกจากกันระหว่างมิวออนและเอกภาพ โดยมีอิเล็กตรอนนิวตริโนเพียงไม่กี่ตัวที่ถูกโยนเข้าไป 

ในการประชุม APS Joshua Hignight นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Michigan State University ที่ทำงานร่วมกับ DeYoung ได้นำเสนอผลเบื้องต้นจาก IceCube ที่สนับสนุนการแยก muon และ tau neutrinos ที่เท่ากันในสปีชีส์ที่สามนั้น 

“คำถามที่ว่าประเภทที่สามนั้นเท่ากันทุกประการกับ muon และ tau หรือไม่เรียกว่าคำถามผสมสูงสุด” เขากล่าว “เนื่องจากเราไม่ทราบเหตุผลใดๆ ที่สายพันธุ์นิวทริโนนี้ควรมีขนาดครึ่งเดียวพอดี นั่นอาจเป็นเรื่องบังเอิญที่น่าอัศจรรย์จริงๆ หรืออาจบอกเราเกี่ยวกับหลักการทางกายภาพบางอย่างที่เรายังไม่ได้ค้นพบ”

โดยทั่วไป คุณลักษณะใดๆ ของจักรวาลสามารถอธิบายได้โดยกระบวนการสุ่มหรือกฎบางอย่างที่ควบคุมพฤติกรรมของสิ่งต่างๆ หากจำนวนมิวออนและเทาว์นิวตริโนในสปีชีส์ของนิวทริโนที่สามถูกกำหนดแบบสุ่ม จะมีโอกาสสูงมากที่ตัวเลขเหล่านั้นจะไม่เท่ากัน

“สำหรับฉัน สิ่งนี้น่าสนใจมาก เพราะมันบ่งบอกถึงความสมมาตรพื้นฐาน” DeYoung กล่าว  

เพื่อให้เข้าใจมากขึ้นว่าทำไมจำนวนมิวออนและเทานิวตริโนในปริมาณที่เท่ากันในสปีชีส์มวลจึงแสดงถึงการไม่สุ่มตัวอย่าง DeYoung ได้ยกตัวอย่างของนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบว่าโปรตอนและนิวตรอน (สองอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม ) มีมวลใกล้เคียงกันมาก นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบมวลเหล่านี้ครั้งแรกอาจสงสัยว่าความคล้ายคลึงกันนั้นเป็นเพียงเรื่องบังเอิญหรือเป็นผลจากความคล้ายคลึงที่ซ่อนอยู่บางอย่างหรือไม่ 

ปรากฎว่าเป็นอย่างหลัง: นิวตรอนและโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานสามชนิดที่เรียกว่าควาร์ก ในกรณีดังกล่าว ความคล้ายคลึงกันบนพื้นผิวบ่งบอกถึงบางสิ่งที่ซ่อนอยู่ด้านล่าง นักวิทยาศาสตร์กล่าว

ผลลัพธ์ใหม่จาก IceCube นั้น “สอดคล้องกันโดยทั่วไป” กับผลลัพธ์ล่าสุดจากการทดลอง T2K neutrino ในญี่ปุ่นซึ่งทุ่มเทเพื่อตอบคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติพื้นฐานของนิวตริโน แต่การทดลองของ Nova ซึ่งตั้งอยู่ที่ Fermi National Accelerator Laboratory นอกเมืองชิคาโก ไม่ได้ “ชอบความสมมาตรที่แน่นอน” ระหว่าง muon และ tau neutrinos ในสปีชีส์มวลที่สาม ตามข้อมูลของ DeYoung

“นั่นเป็นความตึงเครียด นั่นไม่ใช่ความขัดแย้งโดยตรง ณ จุดนี้” เขากล่าว “มันเป็นข้อตกลงที่ค่อนข้างไม่ค่อนข้างที่เราจะพิจารณาในอีกสองสามปีข้างหน้า”  

IceCube ได้รับการออกแบบมาเพื่อตรวจจับนิวตริโนพลังงานค่อนข้างสูงจากแหล่งจักรวาลที่อยู่ห่างไกล แต่การทดลองของนิวตริโนส่วนใหญ่บนโลกจะตรวจจับนิวตริโนพลังงานต่ำจากดวงอาทิตย์หรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บนโลก ทั้ง T2K และ Nova ตรวจพบนิวตริโนในระดับพลังงานที่ต่ำกว่า IceCube ความสอดคล้องระหว่างการวัดที่ทำโดย IceCube และ T2K เป็นการทดสอบ “ความทนทานของการวัด” และ “ความสำเร็จสำหรับทฤษฎีมาตรฐานของเรา” ของฟิสิกส์นิวตริโน DeYoung กล่าว 

นิวตริโนไม่ส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวันของคนส่วนใหญ่ แต่นักฟิสิกส์หวังว่าด้วยการศึกษาอนุภาคเหล่านี้ พวกเขาสามารถหาเบาะแสเกี่ยวกับความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลได้ หนึ่งในความลึกลับของจักรวาลอาจรวมถึงคำอธิบายของสสารมืดสิ่งลึกลับที่พบได้บ่อยในจักรวาลมากกว่าเรื่อง “ปกติ” ที่ประกอบเป็นดาวเคราะห์ ดวงดาว และวัตถุที่มองเห็นได้ทั้งหมดในจักรวาลถึงห้าเท่า สสารมืดมีแรงดึงดูดจากสสารปกติ และได้หล่อหลอมภูมิทัศน์ของจักรวาลตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล นักทฤษฎีบางคนคิดว่าสสารมืดอาจเป็นนิวตริโนรูปแบบใหม่