อนุภาคธรณีนิวตริโน ให้ข้อมูลของความร้อนภายในโลก

อนุภาค antineutrino (ปฏิอนุภาคของนิวตริโน) ที่ผลิตขึ้นภายในโลกเปิดเผยว่าโลกของเราคงความร้อนภายในไว้ได้อย่างไรและนานเท่าไร

คณะนักวิจัยนานาชาติกำลังทำการทดลองวัดอนุภาคที่เรียกว่า antineutrino ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคของนิวตริโน (neutrino) ที่ผลิตขึ้นใต้เปลือกโลกลงไป เพื่อคำนวณหาปริมาณความร้อนใต้พิภพส่วนที่เกิดจากการสลายกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ (ถ้าพูดให้ชัดก็คือวัด electron antineutrino ที่เกิดจากการสลายตัวแบบเบตา (beta-decay) ของยูเรเนียม–238 (uranium-238) และ ธอเรียม–232 (thorium-232))

เป็นที่น่าสนใจว่าอนุภาคจำพวกนิวตริโนนี้ถูกนำมาใช้ศึกษาธรณีวิทยาเป็นครั้งแรก โดยก่อนหน้านี้ความสนใจในนิวตริโนและปฏิอนุภาคของมัน พุ่งไปอยู่ในเฉพาะสายงานของฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานและฟิสิกส์ดาราศาสตร์เท่านั้น

การวัด antineutrino อันทำให้ศาสตร์ของนิวตริโนเป็นหนทางในการมองลึกลงไปภายในโลกครั้งนี้เกิดขึ้นที่เครื่องวัด Kamioka liquid scintillator antineutrino detector หรือ KamLAND ซึ่งติดตั้งอยู่ในเหมืองแร่ใต้ภูเขาแห่งหนึ่งในใจกลางประเทศญี่ปุ่น(ลึกลงไปใต้ดินราว 1000 เมตร) การทดลองนี้อาจช่วยให้เราไขความลับบางอย่างซึ่งเป็นปริศนามายาวนาน อย่างเช่นปัญหาที่ว่า ที่ข้างในดาวเคราะห์ของเราร้อนขนาดไหน หรือว่า อีกนานเท่าไรที่ใต้พิภพที่ร้อนอย่างนั้นมันจะเย็นลง

“นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถกล่าวได้ว่าอนุภาคนิวตริโนได้สร้างความสนใจในเชิงปฏิบัติการแก่วิทยาศาสตร์ในแขนงอื่น” นี่เป็นคำกล่าวโดย อัตสุโตะ ซูสุกิ (Atsuto Suzuki) ซึ่งเป็นผู้อำนวยการศูนย์วิจัยนิวตริโนวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโตโฮคุ (Tohoku University) ในญี่ปุ่น และเป็นสมาชิกคนหนึ่งในคณะทำงาน

ความร้อนใต้พิภพ

คณะทำงานที่เข้มแข็งซึ่งประกอบด้วยสมาชิก 87 คน จากญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา จีน และฝรั่งเศส กล่าวว่าผลที่ได้ ยืนยันว่าครึ่งหนึ่งของพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นภายในโลกมาจากการสลายกัมมันตภาพรังสีซึ่งผลิต antineutrino ออกมา ขณะที่ส่วนที่เหลือมาจากกระบวนการที่แกนในของโลกซึ่งเต็มไปด้วยเหล็กและมาจากความร้อนที่เหลือทิ้งไว้ตอนที่โลกกำลังก่อตัวขึ้นเป็นดาวเคราะห์เมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน

ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้มีบทบาทสำคัญต่อกิจกรรมต่าง ๆ ของโลก มันทำให้เกิดมีกระแสการพาความร้อน (convective current) ในลักษณะของการหมุนวนของเหล็กหลอมเหลวในชั้นแมนเทิล (mantle)(อยู่ใต้ชั้นเปลือกโลกแต่อยู่เหนือแกนโลก) ซึ่งส่งผลให้มีสนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้น นอกจากนี้กระแสการพาความร้อนที่เกิดขึ้นยังส่งผลให้มีการเคลื่อนตัวของเปลือกโลก ซึ่งทำให้เกิดอีกหลายอย่างตามมา ไม่ว่าจะเป็นการเกิดภูเขา แผ่นดินไหว ตลอดจนภูเขาไฟระเบิด

สิ่งที่เกิดขึ้นภายในโลกโดยมากยังเป็นปริศนาสำหรับนักวิทยาศาสตร์ “ในความเป็นจริงแล้ว เรามีความรู้ดีเฉพาะแค่เปลือกของดาวเคราะห์ของเราเท่านั้น ” นี่คือคำกล่าวโดยนักฟิสิกส์ จิออร์จิโอ กรัตตา (Giorgio Gratta) แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ในรัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นสมาชิกคนหนึ่งของทีม KamLAND “พวกเราอาจจะสามารถขุดหลุมลึกลงไปได้หลายกิโลเมตรเพื่อสำรวจ แต่ถ้าลึกมาก ๆ เราคงทำไม่ได้”

ความรู้ส่วนใหญ่ได้มาจากการศึกษาการเคลื่อนที่ของคลื่นแผ่นดินไหวที่เดินทางไปบนผิวโลก ซึ่งบ่งบอกถึงขอบเขตระหว่างหินชนิดต่าง ๆ แต่ antineutrino ที่ผลิตโดยการสลายกัมมันตภาพรังสีในชั้นแมนเทิล สามารถบอกบางอย่างแก่นักวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการทางเคมีที่อยู่ลึกลงไป

รวบรวมข้อมูล

การที่อนุภาคนิวตริโน (หมายถึงรวมทั้ง antineutrino ด้วย) มีมวลน้อยมาก เป็นกลางทางไฟฟ้า และแทบจะไม่ทำอันตรกิริยากับสสารใดเลย ทำให้มันมีแนวโน้มที่จะเดินทางผ่านใต้พิภพออกมาตรง ๆ (มันสามารถเดินทางผ่านสสารได้ไกลหลายพันกิโลเมตรโดยไม่ถูกดูดกลืน) แต่ KamLAND สามารถตรวจจับมันได้จากแสงที่ปรากฏขึ้นเพียงแวบเดียว เมื่อมันชนกับอนุภาคอื่นเป็นครั้งคราว ในบอลลูนขนาดกว้าง 13 เมตร ที่บรรจุของเหลวซึ่งประกอบด้วยน้ำมันและเบนซิน

พลังงานของปฏิอนุภาคของนิวตริโนที่ปลดปล่อยออกมาจากแกนโลกสามารถคำนวณได้จากพลังงานของแสงที่ผลิตขึ้นโดยโพสิตรอน ซึ่งทำให้ทีม KamLAND สามารถแยกแยะระหว่างอนุภาคนิวตริโนจากการสลายตัวของยูเรเนียมและธอเรียมกับนิวตริโนที่เป็นพื้นหลัง โดยเฉพาะส่วนที่มาจากการทำอันตรกิริยาของรังสีคอสมิก (cosmic ray) ซึ่งส่วนมากมาจากดวงอาทิตย์ กับบรรยากาศโลก จากการทดลอง พบว่าอัตราการตรวจวัดได้ของธรณีนิวตริโน (geoneutrino) คือประมาณหนึ่งอนุภาคต่อเดือน

ทั้ง ๆ ที่การวัด antineutrino นี้ดำเนินการมามากกว่าสองปีแล้ว แต่นักวิจัยยังไม่สามารถระบุความร้อนจากกระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสีที่แน่นอนได้ แต่พวกเขาหวังว่าความแม่นยำจะมีมากขึ้น เมื่อพวกเขามีข้อมูลมากกว่านี้และรวมข้อมูลจากการวัดของเครื่องตรวจวัดแบบเดียวกันที่มีชื่อเรียกว่า Borexino ในอิตาลี ซึ่งมีแผนจะเปิดใช้งานในปี ค.ศ. 2006

นอร์ม สลีป (Norm Sleep) นักธรณีวิทยาแห่งสแตนฟอร์ด กล่าวว่าข้อมูลที่ดีขึ้นจะปฏิวัติบางส่วนของธรณีวิทยาในที่สุด นอกจากนี้เขายังกล่าวเพิ่มเติมว่า ถ้าเรามีเครื่องวัดธรณีนิวตริโนในหลาย ๆ ที่ เราน่าจะสามารถนำข้อมูลมาปะติดปะต่อจนสร้างภาพที่แสดงการกระจายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีข้างในโลกได้ แล้วเราก็จะรู้ว่าชั้นแมนเทิลมีความสม่ำเสมอขนาดไหน

“มันเป็นการปฏิวัติ” กรัตตาเห็นด้วย “แต่ยังมีปัญหาว่าการวัด antineutrino นั้นมันยากมาก ๆ และเครื่องวัดก็แพงมาก” เขาคิดว่ามันอาจจะต้องใช้เวลาอีกสิบหรือยี่สิบปีถึงจะมีเครื่องวัดนิวตริโนมากพอที่จะให้คำตอบที่แน่ชัดต่อคำถามทางธรณีวิทยา

อ้างอิงและข้อมูลเพิ่มเติม

- ข่าวจาก Nature
http://www.nature.com/news/2005/050725/full/050725-7.html

- ข่าวจาก Physicsweb
http://physicsweb.org/articles/news/9/7/16/1

- บทความที่น่าสนใจ
http://www.nature.com/nature/journal/v436/n7050/full/436467a.html

- website ของ KamLAND
http://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/