นิวตริโนอาจเป็นสิ่งที่ทำให้งงงวยมากที่สุดของอนุภาคที่รู้จัก พวกเขาเพียงแค่หยามกฎที่ทราบกันดีว่าอนุภาคควรประพฤติตัวอย่างไร พวกเขาเย้ยหยันที่เครื่องตรวจจับแฟนซีของเรา เหมือนแมวจักรวาลพวกมันเดินทางไปทั่วจักรวาลโดยไม่ต้องกังวลหรือสนใจบางครั้งก็มีปฏิสัมพันธ์กับพวกเราที่เหลือ แต่จริงๆแล้วก็ต่อเมื่อพวกเขารู้สึกเหมือนมันซึ่งจริงๆแล้วก็ไม่ใช่ทั้งหมด
สิ่งที่น่าผิดหวังที่สุดก็คือพวกเขาสวมหน้ากากและไม่เคยดูแบบเดียวกันเลย
แต่การทดลองใหม่อาจทำให้เราใกล้ถึงขั้นตอนการลอกหน้ากากเหล่านั้นออกไป การเปิดเผยตัวตนของนิวตริโนที่แท้จริงสามารถช่วยตอบคำถามที่ยืนยาวได้เช่นว่านิวตริโนเป็นหุ้นส่วนปฏิสสารของตัวเองหรือไม่และมันยังสามารถช่วยรวมพลังแห่งธรรมชาติเข้าด้วยกันเป็นหนึ่งทฤษฎี
ปัญหาใหญ่
Neutrinos แปลก มีสามชนิด: นิวตริโนอิเล็กตรอน, นิวตริโน muon และนิวตริโนเอกภาพ (นอกจากนี้ยังมีเวอร์ชั่น antiparticle ของทั้งสาม แต่นั่นไม่ใช่ส่วนใหญ่ของเรื่องนี้) พวกมันถูกตั้งชื่ออย่างนั้นเพราะทั้งสามชนิดนี้ไปปาร์ตี้กับอนุภาคสามชนิดที่แตกต่างกัน อิเล็กตรอนนิวตริโนเข้าร่วมปฏิสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอน Muon neutrinos จับคู่กับมิวออน จะไม่มีการให้คะแนนสำหรับการคาดเดาสิ่งที่นิวตริโนโต้ตอบด้วย
จนถึงตอนนี้มันไม่แปลกเลย นี่คือส่วนที่แปลก
สำหรับอนุภาคที่มี ไม่ นิวตริโนเช่นอิเล็กตรอนมิวออนและอนุภาคเอกภาพสิ่งที่คุณเห็นคือสิ่งที่คุณได้รับ อนุภาคเหล่านั้นเหมือนกันทุกประการยกเว้นมวลของมัน ถ้าคุณมองเห็นอนุภาคที่มีมวลของอิเล็กตรอนมันจะทำตัวเหมือนอิเล็กตรอนที่ควรประพฤติตัวและจะไปที่ muon และ tau ด้วยเช่นกัน ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อคุณเห็นอิเล็กตรอนมันจะเป็นอิเล็กตรอนเสมอ ไม่มีอะไรเพิ่มเติมไม่น้อยไปกว่านี้ เช่นเดียวกับ muon และ tau
แต่สิ่งเดียวกันไม่ได้ไปเพื่อลูกพี่ลูกน้องของพวกเขาอิเล็กตรอนมิวอนและนิวตริโนเอกภาพ
สิ่งที่เราเรียกว่า "นิวตริโน" นั้นไม่ได้เป็นนิวตริโนเอกภาพเสมอไป มันสามารถเปลี่ยนอัตลักษณ์ของมันได้ มันสามารถกลายเป็น midflight, อิเล็กตรอนหรือ muon neutrino
ปรากฏการณ์แปลกประหลาดที่ไม่มีใครคาดว่าจะถูกเรียกว่านิวตริโนการแกว่ง นั่นหมายความว่าคุณอาจสร้างนิวตริโนอิเล็กตรอนและส่งไปให้เพื่อนที่ดีที่สุดของคุณเป็นของขวัญ แต่ตามเวลาที่พวกเขาได้รับพวกเขาอาจจะผิดหวังที่จะหานิวตริโนเอกภาพแทน
ส่ายไปส่ายมาเตาะแตะ
ด้วยเหตุผลทางเทคนิคการสั่นของนิวตริโนจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อมีนิวตริโนสามตัวที่มีมวลต่างกันสามแบบ แต่นิวตริโนที่แกว่งไปมานั้นไม่ใช่นิวตริโนอิเล็กตรอนมิวออนและเทา
มีนิวตริโน "ของจริง" สามตัวแต่ละตัวมีมวลแตกต่างกัน แต่ไม่ทราบชนิด การผสมผสานที่แตกต่างของนิวตริโนพื้นฐานที่แท้จริงเหล่านี้สร้างรสชาตินิวตริโนแต่ละชนิดที่เราตรวจพบในห้องปฏิบัติการของเรา (อิเล็กตรอน, มิวอน, เอกภาพ) ดังนั้นมวลที่วัดจากห้องปฏิบัติการคือส่วนผสมของมวลนิวตริโนที่แท้จริงเหล่านั้น ในขณะเดียวกันมวลของนิวตริโนที่แท้จริงในการผสมจะควบคุมความถี่ที่มันแปรเปลี่ยนไปในแต่ละรสชาติที่แตกต่างกัน
ตอนนี้งานของนักฟิสิกส์คือการคลี่คลายความสัมพันธ์ทั้งหมด: อะไรคือมวลของนิวตริโนที่แท้จริงเหล่านั้นและพวกเขาผสมรวมกันเพื่อทำให้ทั้งสามรสชาติได้อย่างไร?
ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงออกล่าเพื่อค้นหามวลของนิวตริโน "ของจริง" โดยดูที่เวลาและความถี่ที่พวกเขาเปลี่ยนรสชาติ อีกครั้งศัพท์แสงทางฟิสิกส์นั้นไม่ได้ช่วยอะไรมากนักเมื่ออธิบายสิ่งนี้เนื่องจากชื่อของนิวตริโนทั้งสามนี้เป็นเพียง m1, m2 และ m3
การทดลองที่หลากหลายได้สอนนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับมวลของนิวตริโนที่แท้จริงอย่างน้อยก็ทางอ้อม ตัวอย่างเช่นเรารู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างจตุรัสมวลชน แต่เราไม่รู้แน่ชัดว่านิวตริโนที่แท้จริงมีน้ำหนักเท่าใดและเราไม่รู้ว่าอันไหนที่หนักกว่า
อาจเป็นได้ว่า m3 นั้นหนักที่สุด, หนักเกินกว่า m2 และ m1 สิ่งนี้เรียกว่า "การจัดเรียงแบบปกติ" เพราะดูเหมือนว่าเป็นเรื่องปกติ - และเป็นคำสั่งทางฟิสิกส์ที่คาดเดามานานหลายทศวรรษแล้ว แต่จากสถานะความรู้ในปัจจุบันของเรามันอาจเป็นไปได้ว่า m2 เป็นนิวตริโนที่หนักที่สุดโดยมี m1 อยู่ไม่ไกลหลังและ m3 puny เมื่อเปรียบเทียบ สถานการณ์นี้เรียกว่า "การสั่งซื้อแบบกลับด้าน" เพราะหมายถึงเราเดาได้ว่าคำสั่งซื้อผิดครั้งแรก
แน่นอนว่ายังมีค่ายของนักทฤษฎีที่กำหนดให้สถานการณ์แต่ละสถานการณ์เป็นจริง ทฤษฎีที่พยายามรวมพลังทั้งหมดของธรรมชาติ (หรืออย่างน้อยที่สุด) เข้าด้วยกันภายใต้หลังคาเดียวมักเรียกร้องให้มีการสั่งมวลนิวตริโนตามปกติ ในทางกลับกันการสั่งการกลับด้านจำนวนมากเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับนิวตริโนที่จะเป็นแฝดของตัวเอง และถ้านั่นเป็นเรื่องจริงมันสามารถช่วยอธิบายได้ว่าทำไมมันจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสารในจักรวาล
การออกกำลังกาย DeepCore
มันคืออะไร: ปกติหรือคว่ำ? นั่นเป็นหนึ่งในคำถามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่เกิดขึ้นจากการวิจัยนิวตริโนในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาและเป็นคำถามที่ว่าหอสังเกตการณ์ IceCube Neutrino ขนาดใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบ หอดูดาวแห่งนี้ตั้งอยู่ที่ขั้วโลกใต้ประกอบด้วยอุปกรณ์ตรวจจับหลายสิบตัวที่จมลงในแผ่นน้ำแข็งแอนตาร์คติคโดยมี "DeepCore" ซึ่งเป็นศูนย์กลางของเครื่องตรวจจับที่มีประสิทธิภาพมากกว่าแปดสายที่สามารถมองเห็นปฏิสัมพันธ์พลังงานต่ำ
นิวตริโนแทบจะไม่พูดกับเรื่องปกติดังนั้นพวกมันจึงสามารถพุ่งทะลุร่างของโลกได้อย่างสมบูรณ์แบบ และเมื่อพวกเขาทำเช่นนั้นพวกเขาจะแปรเปลี่ยนไปสู่รสชาติที่หลากหลาย พวกเขาจะตีโมเลกุลในแผ่นน้ำแข็งแอนตาร์คติคใกล้กับเครื่องตรวจจับ IceCube ซึ่งก่อให้เกิดอนุภาคอาบน้ำที่เรียงซ้อนกันซึ่งเปล่งแสงสีน้ำเงินที่น่าประหลาดใจที่เรียกว่ารังสีเชอเรนคอฟ มันเป็นแสงสว่างที่ IceCube ตรวจจับได้
ในรายงานล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร arXiv ก่อนพิมพ์นักวิทยาศาสตร์ IceCube ใช้ข้อมูล DeepCore สามปีในการวัดจำนวนนิวตริโนแต่ละชนิดที่ไหลผ่านโลก ความคืบหน้าช้าแน่นอนเพราะนิวตริโนยากที่จะจับ แต่ในงานนี้ นักวิทยาศาสตร์รายงานความพึงพอใจเล็กน้อยในข้อมูลสำหรับการสั่งซื้อปกติ (ซึ่งหมายความว่าเราเดาได้เมื่อหลายสิบปีก่อน) อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่พบข้อสรุปใด ๆ เลย
นี่คือทั้งหมดที่เราจะได้รับ? ไม่แน่นอน IceCube กำลังเตรียมพร้อมสำหรับการอัพเกรดครั้งใหญ่ในไม่ช้าและการทดลองใหม่เช่น Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) และ Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) กำลังเตรียมพร้อมที่จะตอบคำถามหลักนี้เช่นกัน ใครจะรู้ว่าคำถามง่ายๆเช่นนี้เกี่ยวกับการจัดลำดับของนิวตริโนมวลชนจะเปิดเผยวิธีการทำงานของเอกภพ? มันแย่เกินไปที่มันไม่ใช่คำถามง่าย ๆ
Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของ "ถามนักบินอวกาศ" และ "วิทยุอวกาศ, "และผู้แต่ง"สถานที่ของคุณในจักรวาล."
