ทำไมนักฟิสิกส์จึงตามล่าอนุภาคแปลกประหลาด


ทุก ๆ วินาทีในทุก ๆ วันคุณจะถูกทิ้งระเบิดด้วยล้านล้านล้านล้านอนุภาคอนุภาคย่อยที่ไหลลงมาจากความลึกของอวกาศ พวกมันจะพัดพาคุณผ่านไปด้วยความแข็งแกร่งของพายุเฮอริเคนแห่งจักรวาลระเบิดด้วยความเร็วเกือบแสง พวกมันมาจากทั่วทุกมุมโลกทั้งกลางวันและกลางคืน พวกเขาเจาะสนามแม่เหล็กของโลกและบรรยากาศการป้องกันของเราเหมือนเนยมาก

และผมที่อยู่บนหัวของคุณก็ไม่ได้น่าตื่นตาตื่นใจ

เกิดอะไรขึ้น?

กระสุนเล็ก ๆ เหล่านี้เรียกว่านิวตริโนซึ่งเป็นคำประกาศเกียรติคุณในปี 1934 โดย Enrico Fermi นักฟิสิกส์ที่ยอดเยี่ยม คำนี้เป็นภาษาอิตาลีที่คลุมเครือสำหรับ "คนที่เป็นกลางน้อย" และการดำรงอยู่ของพวกเขาได้รับการตั้งสมมติฐานเพื่ออธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่น่าสงสัยมาก [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

บางครั้งองค์ประกอบก็รู้สึก…ไม่แน่นอน และหากพวกเขาถูกทิ้งให้อยู่ตามลำพังนานเกินไปพวกเขาก็จะพังทลายลงและเปลี่ยนตนเองให้เป็นอย่างอื่นบางสิ่งที่เบากว่าเล็กน้อยในตารางธาตุ นอกจากนี้อิเล็กตรอนเล็ก ๆ ก็จะโผล่ออกมา แต่ในปี ค.ศ. 1920 การสังเกตอย่างละเอียดและละเอียดของการสลายตัวเหล่านั้นพบว่ามีความคลาดเคลื่อนเล็ก ๆ น้อย ๆ พลังงานโดยรวมในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการนั้นสูงกว่าพลังงานที่ออกมาเล็กน้อย คณิตศาสตร์ไม่ได้เพิ่มขึ้น แปลก

ดังนั้นนักฟิสิกส์สองสามคนจึงรวบรวมอนุภาคใหม่เอี่ยมจากผ้าทั้งผืน บางสิ่งบางอย่างที่จะกำจัดพลังงานที่หายไป บางสิ่งบางอย่างเบาอะไรบางอย่างโดยไม่เสียค่าใช้จ่าย สิ่งที่สามารถตรวจจับผ่านเครื่องตรวจจับของพวกเขาไม่มีใครสังเกตเห็น

อันน้อยนิดที่เป็นกลาง นิวตริโน

มันใช้เวลาอีกสองสามทศวรรษเพื่อยืนยันการมีอยู่ของพวกเขา – นั่นเป็นวิธีลื่นและเจ้าเล่ห์และส่อเสียดพวกเขา แต่ในปีพ. ศ. 2499 นิวตริโนได้เข้าร่วมกับกลุ่มอนุภาคที่ได้รับการยืนยันและได้รับการยืนยัน

แล้วสิ่งต่าง ๆ ก็แปลก

ปัญหาเริ่มต้นด้วยการค้นพบมิวออนซึ่งเกิดขึ้นโดยบังเอิญในเวลาเดียวกันกับที่ความคิดของนิวตริโนเริ่มขึ้นเพื่อให้ได้มาซึ่งพื้นดิน: ทศวรรษที่ 1930 muon นั้นเกือบจะเหมือนกับอิเล็กตรอน ค่าเดียวกัน หมุนเหมือนกัน แต่มันแตกต่างกันในวิธีที่สำคัญอย่างหนึ่ง: มันหนักกว่าใหญ่กว่า 200 เท่าของอิเล็กตรอน

Muons มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเฉพาะของพวกเขาเอง แต่ไม่นานนัก เนื่องจากกลุ่มที่น่าประทับใจของพวกเขาพวกเขาไม่เสถียรและสลายอย่างรวดเร็วในการอาบน้ำของบิตขนาดเล็ก ("เร็ว" ที่นี่หมายถึงภายในหนึ่งหรือสองวินาที)

นั่นคือทั้งหมดที่ดีและดีทำไมมิวออนถึงคิดเรื่องนิวตริโน?

นักฟิสิกส์สังเกตว่าปฏิกิริยาการสลายตัวที่แนะนำการมีอยู่ของนิวตริโนมีอิเล็กตรอนโผล่ออกมาเสมอและไม่เคยมีมิวอน ในปฏิกิริยาอื่น ๆ มิวออนจะโผล่ออกมาไม่ใช่อิเล็กตรอน เพื่ออธิบายการค้นพบนี้พวกเขาให้เหตุผลว่านิวตริโนมักจะจับคู่กับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาการสลายตัวเหล่านี้เสมอ (และไม่ใช่นิวตริโนชนิดอื่น ๆ ) ในขณะที่อิเล็กตรอน muon จะต้องจับคู่กับนิวตริโน นิวตริโนที่เป็นมิตรกับอิเล็กตรอนจะไม่สามารถอธิบายการสังเกตจากเหตุการณ์ muon ได้ [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

และการล่าสัตว์ก็ดำเนินต่อไป และบน และบน จนกระทั่งในปี 1962 นักฟิสิกส์ได้ล็อคนิวตริโนชนิดที่สองในที่สุด เดิมทีขนานนามว่า "neutretto" แต่มีเหตุผลมากกว่าหัวที่มีรูปแบบของการเรียกมันว่า muon-neutrino เนื่องจากมันจับคู่กับปฏิกิริยา muon เสมอ

ตกลงดังนั้นสองนิวตริโนที่ยืนยันแล้ว ธรรมชาติมีส่วนร่วมในร้านของเรามากขึ้นหรือไม่? ในปี 1975 นักวิจัยที่ Stanford Linear Accelerator Center ได้ทำการสำรวจผ่านภูเขาที่มีความซ้ำซากของข้อมูลที่น่าเบื่อเพื่อเปิดเผยการมีอยู่ของพี่น้องที่หนักกว่าไปยังอิเล็กตรอนที่ว่องไวและ muon ที่หนักหน่วงคึกคักมากถึง 3,500 เท่าของอิเล็กตรอน . นั่นเป็นอนุภาคขนาดใหญ่!

ดังนั้นคำถามก็เกิดขึ้นทันที: หากมีครอบครัวสามอนุภาคอิเล็กตรอนมิวออนและเอกภาพ…อาจมีนิวตริโนตัวที่สามเพื่อจับคู่กับสิ่งมีชีวิตที่เพิ่งค้นพบนี้หรือไม่

อาจจะอาจจะไม่. อาจจะมีเพียงสอง neutrinos อาจจะมีสี่ บางที 17. ธรรมชาติไม่เคยบรรลุความคาดหวังของเรามาก่อนเลยไม่มีเหตุผลที่จะเริ่มต้นตอนนี้

นักฟิสิกส์เชื่อมั่นในตนเองโดยใช้การทดลองและการสังเกตที่หลากหลายซึ่งนิวตริโนตัวที่สามควรมีอยู่ แต่มันไม่ได้จนกว่าขอบของสหัสวรรษในปี 2000 ว่าการทดลองออกแบบเฉพาะที่ Fermilab (เรียกว่าการทดลองโดนัทอย่างตลกขบขันสำหรับการสังเกตการณ์โดยตรงของ NU Tau และไม่ฉันไม่ทำอย่างนั้น) พบเห็นการยืนยันเพียงพอที่จะเรียกร้องการตรวจสอบที่ถูกต้อง

แล้วทำไมเราถึงสนใจนิวตริโนมากขึ้น? ทำไมเราไล่ล่าพวกมันมานานกว่า 70 ปีตั้งแต่ก่อนสงครามโลกครั้งที่สองจนถึงยุคสมัยใหม่? ทำไมนักวิทยาศาสตร์หลายชั่วอายุคนจึงหลงไหลในสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เป็นกลางเหล่านี้?

เหตุผลก็คือนิวตริโนยังคงอยู่นอกความคาดหวังของเรา เป็นเวลานานเราไม่แน่ใจว่าพวกเขามีอยู่จริง เป็นเวลานานเราเชื่อมั่นว่าพวกเขาไม่มีมวลอย่างสมบูรณ์จนกระทั่งการทดลองพบว่าพวกเขาต้องมีมวลมาก "เท่าไหร่" ยังคงเป็นปัญหาที่ทันสมัย และนิวตริโนมีนิสัยที่น่ารำคาญในการเปลี่ยนนิสัยเมื่อพวกเขาเดินทาง ถูกต้องเนื่องจากนิวตริโนเดินทางด้วยเครื่องบินมันสามารถสลับมาสก์ได้ในสามรสชาติ

อาจจะมีนิวตริโนเสริมอีกตัวหนึ่งซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการโต้ตอบตามปกติ – สิ่งที่รู้จักกันในชื่อนิวตริโนที่ปลอดเชื้อซึ่งนักฟิสิกส์กำลังไล่ล่าอย่างดุเดือด

กล่าวอีกนัยหนึ่งนิวตริโนท้าทายทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับฟิสิกส์อย่างต่อเนื่อง และถ้ามีสิ่งหนึ่งที่เราต้องการทั้งในอดีตและในอนาคตมันเป็นความท้าทายที่ดี

Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของ ถามนักบินอวกาศ และ วิทยุอวกาศและผู้เขียนของ สถานที่ของคุณในจักรวาล.

เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อ วิทยาศาสตร์สด.