ในปี 2017 นักฟิสิกส์และวิศวกรมากกว่า 1,000 ชีวิตจากกว่า 30 ประเทศทั่วโลกมารวมตัวกันเพื่อร่วมโครงการวิจัยภายใต้ชื่อว่า ‘Deep Underground Neutrino Experiment : DUNE’ เป็นโครงการที่ทุ่มงบประมาณกว่า 1.5 พันล้านเหรียญฯ เพื่อทำความเข้าใจอนุภาคลี้ลับนี้ (ซึ่งเรามีความรู้เกี่ยวกับมันน้อยมาก) ซึ่งหนึ่งในผลพลอยได้จากโครงการก็คือ การศึกษาโครงสร้างภายในของโลกโดยใช้อนุภาคนิวตริโน

ถ้าไม่ใช่คนในแวดวงฟิสิกส์หรือคุ้นชินกับวิทยาศาสตร์ หากพูดคำว่า ‘อนุภาคนิวตริโน’ อาจจะยังนึกไม่ออกว่ามันคืออะไร แต่ถ้าบอกว่า อนุภาคชนิดนี้เป็นอนุภาคคล้ายๆ หรือเป็น ‘ญาติ ๆ’ กับอิเล็กตรอนที่เราน่าจะพอได้ยินมาบ้าง บางคนอาจจะเริ่มพยักหน้าตาม

‘อนุภาคนิวตริโน’ (Neutrino) เป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่ง กล่าวคือเป็นหนึ่งในอนุภาคที่เป็นหน่วยเล็กที่สุดและไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก (อย่างน้อยก็ในตอนนี้) เมื่อเราพูดถึงอนุภาคที่ ‘ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก’ ก็เป็นเหตุที่ทำให้ต้องคิดเล่น ๆ ว่า ถ้าอย่างนั้นก็ต้องมี ‘อนุภาคที่แบ่งแยกได้’

และแน่นอน อนุภาคที่เรารู้จักกันดีไม่แพ้อิเล็กตรอนอย่าง ‘โปรตอน’ ก็เป็นอนุภาคที่แบ่งแยกได้ คือประกอบขึ้นมาจากอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่า ‘ควาร์ก’ ทำให้เกิดการรวบรวมอนุภาคมูลฐานจนเกิดเป็นทฤษฎีที่เรียกว่า ‘Standard Model’

อนุภาคนิวตริโน มีลักษณะที่ต่างออกไปจากอนุภาคตัวอื่นๆ คือ เป็นอนุภาคที่ไร้ประจุ มีมวลน้อยมากๆ เรียกว่าใกล้จะเป็น 0 เลยก็ว่าได้ แบ่งย่อยเป็น 3 ชนิด ได้แก่ อนุภาคอิเล็กตรอนนิวตริโน อนุภาคมิวออนนิวตริโน และอนุภาคทาวนิวตริโน

นอกจากนี้ นิวตริโนยังเป็นอนุภาคที่เกิดอันตรกิริยากับสิ่งแวดล้อมหรือแม้กระทั่งกับอนุภาคด้วยกันเองค่อนข้างต่ำ พูดง่าย ๆ ว่า เป็นอนุภาครักสันโดษ จึงทำให้เราไม่สามารถตรวจวัดอนุภาคเหล่านี้ได้โดยง่าย (แต่แน่นอนว่ายังพอมีวิธีอยู่บ้าง)

ด้วยเหตุนี้เอง จึงมีอนุภาคนิวตริโนอยู่รอบๆ ตัวเราจำนวนมหาศาล (และอาจจะวิ่งผ่านตัวเราไปขณะอ่านบทความนี้) ประกอบกับการที่อนุภาคนิวตริโนสามารถถือกำเนิดได้จากหลายแหล่งกำเนิด ไม่ว่าจะเป็น บิ๊กแบง (Big Bang) ซูเปอร์โนว่า (Supernova) ดวงอาทิตย์ เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear reactor) แก่นโลก รังสีคอสมิก  (Cosmic ray) หรือแม้กระทั่งร่างกายของเรา ก็สามารถปล่อยนิวตริโนออกมาได้เช่นกัน ด้วยเหตุผลทั้งหมดทั้งมวล อนุภาคนิวตริโนจึงติดอันดับอนุภาคที่มีจำนวนมากที่สุดในจักรวาลเลยก็ว่าได้

ด้วยความน่าสนใจของเจ้าอนุภาคชนิดนี้ ทำให้นักฟิสิกส์เริ่มต้นศึกษามันอย่างกว้างขวางตั้งแต่ ปี 1960 และสามารถใช้อนุภาคชนิดนี้ในการตอบคำถามหลายๆ หัวข้อที่เป็นที่ถกเถียงกัน อย่างไรก็ดี ปัจจุบันเราก็ยังมีความเข้าใจเกี่ยวกับอนุภาคนี้น้อยมากๆ

จนในปี 2017 นักฟิสิกส์และวิศวกรมากกว่า 1,000 ชีวิตจากกว่า 30 ประเทศทั่วโลกจึงได้มาร่วมโครงการวิจัย ‘Deep Underground Neutrino Experiment : DUNE’ ซึ่งเป็นโครงการที่ทุ่มงบประมาณกว่า 1.5 พันล้านเหรียญดอลลาร์ มาสร้างเครื่องตรวจวัดแบบใช้อาร์กอนเหลว 68,000 ตัน เพื่อเพิ่มโอกาสตรวจวัดเจ้าอนุภาครักสันโดษนี้ ทั้งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและที่ผลิดจากเครื่องเร่งอนุภาคโปรตรอน ซึ่งสามารถให้กำเนิดอนุภาคชนิดนี้ออกมาจำนวนมหาศาลเช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดชนิดอื่นๆ

เมื่ออนุภาคนิวตริโนที่ถือกำเนิดจากดวงอาทิตย์ (Solar neutrino) เคลื่อนที่ผ่านและเกิดปฏิกิริยากับอาร์กอนเหลวที่บรรจุอยู่ภายใน ก็จะทำให้เราสามารถตรวจวัดอนุภาคนิวตริโนจากปรากฏการณ์ ผ่านวิธีการท่ีเรียกว่า ‘Liquid Argon Time-Projection Chamber (LArTPC) technology’ หรือวิธีการตรวจวัดตำแหน่งของอนุภาคที่ได้จากการชนระหว่างอนุภาคนิวตริโนและอาร์กอนเหลวภายในเครื่องตรวจวัด

ที่มาภาพ: insidescience.org

การตรวจวัดด้วยวิธีการนี้สามารถช่วยหาข้อสรุปของปัญหาความขัดแย้งกันระหว่างการคำนวณทางทฤษฎีและผลการทดลอง ในเรื่องความไม่สมมาตรของปริมาณอนุภาคนิวตริโนในระหว่างช่วงกลางวันและกลางคืน หรือ ‘Day-night asymmetry of the solar neutrinos’ ของงานวิจัยที่ผ่านๆ มา ซึ่งอาจคลาดเคลื่อนจนยังไม่สามารถหาข้อสรุปได้

สมมติฐานเบื้องต้นคือในช่วงเวลากลางคืนอนุภาคนิวตริโนจำเป็นต้องเดินทางผ่านชั้นโครงสร้างภายในโลกที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันในแต่ละชั้นเข้ามายังเครื่องตรวจวัด เป็นเหตุทำให้ ‘มีโอกาส’ เกิดปฏิกิริยาและเพิ่มจำนวนไปด้วย ระหว่างเดินทางผ่านแต่ละชั้นที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไปนั่นเอง

อีกทั้งยังมีการทดลองควบคู่ไปด้วย เริ่มจากการสร้างเจ้าอนุภาคชนิดนี้ผ่านเครื่องเร่งอนุภาคโปรตรอนจากห้องปฏิบัติการแฟร์มิแล็บ (Fermi Lab) ในเมืองชิคาโก ประเทศสหรัฐอเมริกา จากนั้นลำของอนุภาคที่สร้างขึ้นมา จะเดินทางไกลกว่า 1,300 กิโลเมตรและพุ่งเข้าเครื่องตรวจวัดที่ติดตั้งอยู่ใต้ดินใกล้กับเมืองเซาธ์ดาโกตา (South Dakota) ประเทศสหรัฐอเมริกา (Figure 2) เพื่อยืนยันและศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเดินทางผ่านตัวกลางอย่างชั้นเปลือกโลก

ที่มาภาพ: news.fnal.gov

เรียกได้ว่าเดินทางกันข้ามฟากประเทศสหรัฐอเมริกาโดยใช้เวลาทั้งหมดแค่เพียงชั่วพริบตาเท่านั้น

ส่วนเหตุที่จำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจวัดขนาดมหึมาให้อยู่ใต้ดินลึกลงไปกว่า 1.5 กิโลเมตรนั้นก็เพื่อหลีกเลี่ยงอนุภาคชนิดอื่น ๆ ที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศของโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่ถือกำเนิดจากรังสีคอสมิกซึ่งเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลกตลอดเวลา

แท้จริงแล้ว วัตถุประสงค์หลักของโครงการนี้ คือศึกษาความแตกต่างระหว่างอนุภาคนิวตริโนและอนุภาคที่เป็นปฏิสสารของตัวมันเอง (Antineutrino) การระเบิดของดาวฤกษ์ที่ให้กำเนิดอนุภาคจำนวนมหาศาลและอาจเป็นเบาะแสเพิ่มเติมในการศึกษาเกี่ยวกับดาวนิวตรอนและหลุมดำ อีกทั้งทำให้เราเสมือนได้ย้อนเวลากลับไปสู่วินาทีที่ 0 ของจักรวาลตอนเกิดปรากฏการณ์บิ๊กแบง ซึ่งเป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดที่สำคัญของอนุภาคชนิดนี้ เป็นต้น

ภาพ: ณรงค์เกียรติ รอดภัย

ส่วนการสแกนโครงสร้างภายในของโลกโดยใช้อนุภาคนิวตริโน่ที่ถือกำเนิดจากดวงอาทิตย์ จะเริ่มต้นจากการตรวจวัดจำนวนและทิศทางของอนุภาคนิวตริโนที่เปลี่ยนจากเครื่องตรวจวัดอาร์กอนเหลว ควบคู่ไปกับองศาที่เปลี่ยนไปขณะที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งจะทำให้ทิศทางของการทะลุผ่านโลกของอนุภาคนิวตริโนเปลี่ยนไปตลอดเวลา และจำลองออกมาเป็นแบบจำลองโครงสร้างภายในของโลก หรือที่เรียกว่า ‘Neutrino-based tomography’ เพื่อใช้ในการศึกษาของทั้งนักธรณีวิทยาหรือนักธรณีฟิสิกส์ในขั้นต่อไป โดยใช้แบบจำลองโครงสร้างภายในของโลกที่มีอยู่กับควบคู่กัน

หากเปรียบเทียบให้เห็นภาพอย่างง่ายที่สุด คงไม่ต่างอะไรกับการเอ็กซเรย์อวัยวะหรือหาความเสียหายภายในตัวเรา เพื่อใช้ประกอบการวินิจฉัยของแพทย์ตามโรงพยาบาลนั้นเอง

ถึงแม้ว่าการศึกษาเรื่องโครงสร้างภายในของโลก หรือ ‘การสแกนโลก’ นั้นจะเป็นเพียงผลพลอยได้ของโครงการระดับยักษ์ใหญ่นี้ แต่อย่างไรก็ดี นักธรณีวิทยาหรือนักธรณีฟิสิกส์จะสามารถใช้ข้อมูลจากการทดลองของโครงการนี้ในการศึกษาเพิ่มเติม และถึงแม้จะมีการศึกษาโครงสร้างของโลกผ่านคลื่นที่เรียกว่า ‘คลื่นไหวสะเทือน หรือ seismic waves’ แล้วก็ตามที แต่การศึกษาโดยใช้อนุภาคนิวตริโน่นี้อาจสามารถอธิบายหลายๆ ปัญหาที่ยังมีการถกเถียงหรืออีกทั้งช่วยยืนยันทฤษฎีก่อนหน้านี้ได้ไม่มากก็น้อย

โครงการนี้คาดว่าจะแล้วเสร็จภายในปี 2024 และคาดหวังเป็นอย่างยิ่งว่าจะช่วยเปิดประตูบานใหญ่ของทั้งคำถามและคำตอบอีกมากมาย

หากสงสัยว่าการทดลองระดับมหึมาเช่นนี้จะคุ้มค่าการลงทุนกว่าพันล้านเหรียญหรือไม่ คงไม่มีใครอาจทราบได้อย่างแน่ชัด ลองคิดเล่นๆ ว่า ครั้งหนึ่งอาจเคยมีคนตั้งคำถามในลักษณะเดียวกันนี้กับการศึกษารังสีเอกซ์ ในปี 1895 แต่ปัจจุบันเครื่องฉายรังสีเอกซ์กลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในโรงพยาบาล

เพราะการใช้ประโยชน์จากสิ่งใดก็ตาม ในหลายๆ ครั้งก็มักเกิดหลังการศึกษาสิ่งนั้นอย่างถี่ถ้วนแล้ว

 

ที่มาภาพหน้าแรก: fermilab

ที่มา:

Tags: , , , , , ,