creatio ex nihilo

ศล
Location :
กรุงเทพ Thailand

[Profile ทั้งหมด]

ให้ทิปเจ้าของ Blog [?]
ฝากข้อความหลังไมค์
Rss Feed
Smember
ผู้ติดตามบล็อก : 85 คน [?]




Group Blog
 
All Blogs
 
Friends' blogs
[Add ศล's blog to your web]
Links
 

 
The mass question

Edward Witten
แปลโดย ศล

นิวตริโนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลหรือไม่?
มีครับ จากผลที่ได้จากการทดลองในปัจจุบัน
แล้วเท่าไรล่ะ?
ผลลัพธ์ที่ได้น่าประหลาดใจและชวนให้เกิดข้อถกเถียง
คำตอบไม่ใช่อย่างที่เราเคยคิด


เนิ่นนานมาแล้วที่เราเชื่อว่านิวตริโนเป็นอนุภาคไร้มวลซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแสงตลอดเวลาเช่นเดียวกับโฟตอน ไม่กี่ปีที่ผ่านมา จากการศึกษานิวตริโนที่ถูกปลดปล่อยจากดวงอาทิตย์หรือถูกสร้างจากรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศโลก นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ว่าจริง ๆ แล้วนิวตริโนมีมวลน้อย ๆ ที่ไม่เท่ากับศูนย์ น้อยกว่ามวลของอิเล็กตรอนประมาณสิบล้านเท่า เชื่อว่ามวลดังกล่าวเป็นผลมาจากกระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นที่พลังงานซึ่งพ้นไปจากอันตรกิริยาอนุภาคที่เรารู้จัก ใน Modern Physics Letters A, Klapdor-Kleingrothaus และคณะ อ้างการสังเกตพบกระบวนการสลายนิวเคลียร์ชนิดใหม่ ถ้าการค้นพบที่ชวนกังขานี้หนักแน่นพอ เท่ากับมันบอกเราว่ามวลของนิวตริโนทั้งสามชนิดใกล้เคียงกัน ทั้งยังเป็นหน้าต่างสู่ฟิสิกส์ที่ก้าวล้ำกว่าความรู้ปัจจุบันของเรา

เพื่อให้เห็นภาพเรื่องมวลของนิวตริโน พิจารณามวลของอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เช่น อิเล็กตรอนซึ่งเบากว่าโปรตอนหรือนิวตรอนประมาณ 1,800 เท่า และเบากว่าอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดเท่าที่รู้จัก W และ Z โบซอน และท็อปควอร์ก (รูปที่ 1) ถึง 200,000 เท่า เหตุใดมวลเหล่านี้จึงกระจายหลากหลายกันมากนั้นเป็นปริศนา แม้กระทั่งในแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานสมัยใหม่ ในขณะที่ก่อนหน้านี้มวลของนิวตริโนดูเหมือนเป็นศูนย์และในช่วงทศวรรษ 1950 นักฟิสิกส์ก็คิดว่าพวกเขารู้ว่าทำไม


รูปที่ 1 แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์พลังงานสูง: อนุภาคมูลฐานและมวลของพวกมันในหน่วย GeV/c2 เมื่อ c คือ อัตราเร็วแสง

หัวใจคือไครัลลิตี้$ (chirality) ในชีวเคมี ไครัลลิตี้บอก "handedness" (ความถนัดมือ) ของโมเลกุลที่อาจจะดูแตกต่างจากภาพสะท้อนกระจกของตัวมันเอง โมเลกุลอย่างง่าย เช่น H20 ดูเหมือนกับภาพสะท้อนในกระจกของมัน แต่โมเลกุลที่ซับซ้อนขึ้น เช่น เด็กซ์โตรส กลับไม่เป็นเช่นนั้น การที่โมเลกุลไครัลบางตัวสำคัญในชีววิทยาขณะที่โมเลกุลภาพสะท้อนกระจกของมันไม่นั้นเชื่อว่าเป็นเพราะความบังเอิญในวิวัฒนาการของชีวิตมากกว่าความแตกต่างตามธรรมชาติใด ๆ ระหว่างโมเลกุล


รูปที่ 2 นิวตริโนและแอนตินิวตริโน

นิวตริโนก็มีชนิดของไครัลลิตี้ที่คล้ายกัน อนุภาคมูลฐานมีการหมุนในตัว (an intrinsic quantum-mechanical spin - ตรงนี้ผมขอแปลแบบรวบรัดว่าการหมุนเฉย ๆ นะครับ - ศล) อนุภาคส่วนใหญ่สามารถหมุนได้ทั้งวนทางขวามือและวนทางซ้ายมือรอบทิศทางการเคลื่อนที่ของมัน แต่นิวตริโนหมุนวนซ้ายเท่านั้น (รูปที่ 2) เช่นเดียวกับไครัลลิตี้ในชีววิทยา คุณสมบัตินี้อาจมีต้นกำเนิดในเหตุการณ์สุ่มซึ่งในกรณีนี้คือการเกิดบิกแบงก็ได้ ไครัลลิตี้ในตัวดังกล่าวเป็นไปไม่ได้สำหรับอนุภาคที่มีมวล (เพราะทิศทางของการหมุนของอนุภาคที่มีมวลสามารถเปลี่ยนได้โดยการหมุนอนุภาคในกรอบเฉื่อยของมัน) ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงสรุปว่านิวตริโนต้องมีมวลเท่ากับศูนย์

แต่มีปัญหาเกิดขึ้นในคำอธิบายดังกล่าว เกี่ยวกับปฏิอนุภาค อนุภาคสสารมูลฐานทุกตัวมีปฏิอนุภาคที่เป็นคู่กัน มีมวลเท่ากัน แต่ประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม เช่น ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน e- คือโพสิตรอน e+ ทำนองเดียวกันนิวตริโนก็มีปฏิอนุภาคคือ แอนตินิวตริโน แอนตินิวตริโนมีไครัลลิตี้ตรงข้ามกับนิวตริโน กล่าวคือมันมุนวนขวารอบทิศทางการเคลื่อนที่ของมันเสมอ (รูปที่ 2)

ถ้าไม่ดูไครัลลิตี้ คุณจะบอกความแตกต่างระหว่างนิวตริโนกับแอนตินิวตริโนได้อย่างไร? พวกมันทั้งคู่เป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นเราไม่สามารถแยกมันด้วยประจุไฟฟ้าได้ แต่ยังมีประจุที่ดูเหมือนอนุรักษ์อีกอันหนึ่งในอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคมูลฐาน คือเลขเลปตอน อิเล็กตรอนและนิวตริโนเป็นเลปตอน โพสิตรอนและแอนตินิวตริโนเป็นแอนติเลปตอน จำนวนของเลปตอนลบจำนวนของแอนติเลปตอนในอันตรกิริยาเรียกว่าจำนวนเลปตอน (lepton number) เลปตอนและแอนติเลปตอนสามารถถูกสร้างขึ้นได้โดยหลายกระบวนการ เช่น การสลายของนิวตรอนเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน ในตัวอย่างนี้ไม่มีเลปตอนตั้งต้น (นิวตรอนเป็น 'แบริออน') จากนั้นเลปตอนหนึ่งตัว (อิเล็กตรอน) กับแอนติเลปตอนหนึ่งตัว (แอนตินิวตริโน) ถูกสร้าง ดังนั้นจำนวนเลปตอนไม่เปลี่ยนแปลง จริง ๆ แล้วในกระบวนการอนุภาคมูลฐานทั่วไปจำนวนเลปตอนอนุรักษ์

แบบจำลองมาตรฐานแทบจะไม่เข้าที่ก่อนบรรดานักฟิสิกส์เริ่มพยายามจะก้าวล่วงมัน พวกเขาต้องการสร้างทฤษฎีรวม (unified theory) ที่สามารถบันดาลการดำรงอยู่ของอนุภาคมูลฐานและแรงมากกว่าที่จะอธิบายพวกมันดังแบบจำลองมาตรฐาน ในกรอบที่ทะเยอทะยานกว่าอันนี้ -ที่ขนานนามในแง่ดีว่า 'การรวมอันยิ่งใหญ่' (grand unification)- การอนุรักษ์จำนวนเลปตอนไม่ได้เกิดขึ้นอย่างอัตโนมัติ (อิสระ) นั่นทำให้มุมมองใหม่ผุดขึ้นมา จำนวนเลปตอนควรจะเกือบอนุรักษ์มาก ๆ ในธรรมชาติ เพราะมันอนุรักษ์เสมอในแบบจำลองมาตรฐานที่ได้รับการทดสอบมาเป็นอย่างดี แต่มันควรจะถูกฝ่าฝืนเล็กน้อยโดยผลกระทบของการรวมอันยิ่งใหญ่

ถ้าจำนวนเลปตอนไม่อนุรักษ์ มันก็ไม่มีทางที่จะแยกความต่างระหว่างนิวตริโนและแอนตินิวตริโนอีกต่อไป ในความจริงพวกมันอาจจะเป็นรูปแบบสองแบบของอนุภาคเดียวกัน เป็นอนุภาคที่มีสถานะหนึ่งหมุนทางหนึ่งและอีกสถานะหนึ่งหมุนอีกทาง (รูปที่ 2) เหมือนอนุภาคที่มีมวลเช่นอิเล็กตรอน ดังนั้นถ้าจำนวนเลปตอนไม่อนุรักษ์ นิวตริโนสามารถมีมวลได้ แต่มวลนี้อาจน้อยนิด เพราะมันมาจากปรากฎการณ์ที่ขาดหายไปในแบบจำลองมาตรฐาน การวัดมวลที่น้อยเช่นนั้นเป็นเรื่องยาก แต่การศึกษาการสลายของนิวเคลียสไตรเที่ยมได้แสดงให้เห็นว่านิวตริโนชนิดหนึ่งเบากว่าประมาณ 2 อิเล็กตรอนโวลท์

วิธีอ้อมกว่าที่จะหามวลของนิวตริโนอยู่กับความจริงที่ว่ามีนิวตริโนสามชนิด ได้แก่ นิวตริโนอิเล็กตรอน (electron neutrino), นิวตริโนมิวออน (muon neutrino) และนิวตริโนเทา (tau neutrino) (ซึ่งโดยทั่วไปถูกสร้างเคียงข้างกับ อิเล็กตรอน มิวออน และเทา ตามลำดับ) นี่นำไปสู่ปรากฎการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมที่น่าสนใจที่มีโอกาสเป็นไปได้ กล่าวคือ ขณะเดินทางผ่านสุญญากาศ นิวตริโนชนิดหนึ่งสามารถเปลี่ยนไปเป็นเป็นชนิดอื่นได้ตามธรรมชาติ ที่รู้จักกันในชื่อการกวัดแกว่งนิวตริโน (neutrio oscillation) และสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อนิวตริโนมีมวลเท่านั้น

ปัจจุบันมีหลักฐานอื่นอีกสำหรับการกวัดแกว่งนิวตริโน ทั้งจากนิวตริโนที่ถูกสร้างโดยรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศโลกและจากนิวตริโนที่ถูกสร้างโดยดวงอาทิตย์ (การตีความในรูปการกวัดแกว่งนิวตริโนได้แก้ปัญหาความไม่ลงรอยกันอันเนิ่นนานระหว่างจำนวนของนิวตริโนที่คาดว่ามาจากดวงอาทิตย์และจำนวนที่เราตรวจจับได้จริง ๆ) ในสาขาที่เคลื่อนไปอย่างรวดเร็ว การทดลองจะล้ำหน้าทฤษฎี และคาดหวังการวัดที่สำคัญ ๆ หลายอันในไม่กี่ปีข้างหน้า เท่าที่ได้มา ผลลัพธ์สนับสนุนความเป็นไปได้ของมวลนิวตริโนอย่างหยาบที่เกิดจากทฤษฎีรวมอันยิ่งใหญ่ นอกจากนี้การทดลองยังทำให้ประหลาดใจ เพราะ 'มุมผสม' (mixing angles) ที่วัดได้ (ซึ่งบ่งชี้โอกาสที่นิวตริโนกวัดแกว่งจากชนิดหนึ่งเป็นอีกชนิดหนึ่ง) มีค่ามากกว่าที่นักทฤษฎีคาดการณ์ไว้

มันจึงดูสอดคล้องกับตรรกะที่จะสงสัยว่ามวลนิวตริโนเป็นผลจากการไม่อนุรักษ์จำนวนเลปตอน แต่การวัดการกวัดแกว่งนิวตริโนเพียงลำพังมิได้แสดงว่าจำนวนเลปตอนไม่อนุรักษ์ งั้นเราสามารถแบบนี้ด้วยวิธีอื่นได้มั้ย? นี่คือสิ่งที่ Klapdor-Kleingrothaus และคณะอ้างว่าได้ทำเรียบร้อยแล้ว โดยการสังเกตการสลายนิวเคลียร์ 76Ge →76Se + 2e- ปฏิกิริยานี้เรียกว่าการสลาย b คู่ ไร้นิวตริโน (neutrinoless double b-decay) เพราะสุดท้ายได้อิเล็กตรอน (เมื่อก่อนรู้จักกันในนามอนุภาค b) สองตัว โดยที่ไม่มีนิวตริโน ดังนั้นปฏิกิริยานี้แหกกฎอนุรักษ์เลขเลปตอนสองหน่วย นำมารวมกับการวัดการกวัดแกว่ง และตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคสำคัญมีเพียงนิวตริโนสามชนิดที่รู้ ผลใหม่อันนี้เท่ากับบอกเราว่านิวตริโนทั้งสามมีมวลเท่ากันโดยประมาณ บางทีอาจไม่กี่หนึ่งในสิบอิเล็กตรอนโวท์ นี่เป็นผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ เพราะ ตระกูลอนุภาคอื่น อาทิ ควอร์ก และเลปตอนที่มีประจุมิได้มีมวลโดยประมาณที่เท่ากัน (รูปที่ 1) และมันจะวางข้อจำกัดอันหนักหน่วงต่อทฤษฎีจุดกำเนิดมวลนิวตริโน

อย่างไรก็ดีมีข้อควรระวังเพราะธรรมชาติที่ยุ่งยากที่เป็นข้อยกเว้นของการทดลอง บทวิจารณ์ของสมมติฐานโดยผู้เขียนในการวิเคราะห์ภูมิหลังและการแยกสัญญาณที่น้อยยิ่งออกมาได้เสนอเพื่อพิจารณาไว้เรียบร้อยแล้ว ไม่ว่าด้วยอัตราใด การทดลองในอนาคตจากแผนที่จะใช้ปริมาณ 76Ge (หรือนิวเคลียสที่คล้ายกัน) ที่มากขึ้นจะสัมฤทธิ์ผลระดับความไวต่อการตอบสนองที่มากขึ้น ด้วยการคาดจากการวัดการกวัดแกว่ง นักฟิสิกส์หลายคนได้เดาก่อนหน้าการอ้างนี้ว่าระดับความไวต่อการตอบสนองมากกว่าการทดลองนี้ 103 หรือ 104 เท่าอาจจะจำเป็นในการสังเกตขั้นสรุปการฝ่าฝืนการอนุรักษ์เลขเลปตอน ระดับความไวต่อการตอบสนองนี่แหละทำให้นึกถึงว่ามันจะยากอย่างไร พอ ๆ กับผลคุ้มค่าที่เป็นไปได้ขนาดไหนสำหรับการทดลองในอนาคต

$chirality มาจากรากศัพท์ภาษากรีก χειρ (cheir) แปลว่า "มือ" -ศล

หมายเหตุ บทความนี้ผมแปลช่วงหดหู่ช่วงหนึ่งของชีวิตเพื่อมิให้สมองที่ว่างเปล่าฟุ้งซ่าน และคร้านที่จะกลับไปชำเลืองแลความถูกต้องของเนื้อหา เพื่อความปลอดภัย คุณควรหาต้นฉบับมาอ่านซ้ำอีกที



Create Date : 04 มกราคม 2553
Last Update : 5 มกราคม 2553 17:49:55 น. 2 comments
Counter : 1149 Pageviews.

 
ขออนุญาติแอดนะคะ
คลังข้อมูลเยอะดีค่ะ
ไว้จะแวะมาอ่านบ่อย ๆ นะคะ



โดย: ผีเสื้อยิปซี วันที่: 11 มกราคม 2553 เวลา:22:35:39 น.  

 
เยี่ยมไปเลยครับ น่าจะมาเป็นนักฟิสิกส์เลยจริงๆ


โดย: U-SJ. (Aloner ) วันที่: 14 ธันวาคม 2553 เวลา:17:48:22 น.  

ชื่อ : * blog นี้ comment ได้เฉพาะสมาชิก
Comment :
  *ส่วน comment ไม่สามารถใช้ javascript และ style sheet
 
 Pantip.com | PantipMarket.com | Pantown.com | © 2004 BlogGang.com allrights reserved.