หน้า 10

วันที่ 10 พฤษภาคม พ.ศ. 2555

ลงลึกถึงอนุภาคเล็กสุดสู่กำเนิดจักรวาลกับนักฟิสิกส์ “เซิร์น”

ศ.ดร.อัลเบิร์ต เดอ โรคก์ นักฟิสิกส์จากเซิร์น

ณ วันนี้นักวิทยาศาสตร์พบอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่า โปรตอนและนิวตรอนอีกเป็นจำนวนมาก แต่ก็ยังไม่อาจสรุปได้ว่าจะไม่มีสิ่งที่เล็กกว่านี้แล้ว และการค้นหาอนุภาคเล็กที่สุดก็ไม่ใช่เพียงเพื่อสร้างสถิติอันเป็นที่สุด หากแต่เป็นตัวต่อจิ๊กซอว์ที่จะเผยให้เห็นภาพในอดีตนับแต่เริ่มกำเนิดเอกภพ และนักฟิสิกส์ยังเดินหน้าค้นหาอนุภาค “ฮิกกส์” ที่จะยืนยันความเข้าใจองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพ

ศ.ดร.อัลเบิร์ต เดอ โรคก์ และ ดร.บุรินทร์ อัศวพิภพ

ศ.ดร.อัลเบิร์ต เดอ โรคก์ (Prof.Dr.Albert De Roeck) นักวิทยาศาสตร์อาวุโสประจำสถานีตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS) ของเซิร์น (CERN) เพิ่งเดินทางมาบรรยายพิเศษเกี่ยวกับความลับของเอกภพและฟิสิกส์อนุภาค เมื่อต้นเดือน พ.ค.นี้ ณ บ้านวิทยาศาสตร์สิรินธร อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย เขาบอกว่า เมื่อปลายปี พ.ศ. 2554 สถานีทดลอง 2 แห่งของเซิร์นได้ตรวจพบสัญญาณที่เชื่อว่าน่าจะเป็นร่องรอยของ “ฮิกกส์” (Higgs)

อนุภาคดังกลาวเป็นสิ่งท้าทายนักฟิสิกส์อนุภาคมานานกว่า 40 ปี และจะเป็นจิ๊กซอว์ตัวสุดท้ายที่จะอธิบายถึงการมีอยู่ของมวลในเอกภพ หากแต่ข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่สามารถฟันธงได้ ต้องรอข้อมูลเพิ่มเติมจากการเดินเครื่องเร่งอนุภาคในปี 2555 ซึ่งจะได้ข้อมูลมากขึ้น 4 เท่า และจะตอบคำถามได้ว่าที่สุดแล้วมีฮิกกส์หรือไม่ และเมื่อพบฮิกกส์แล้วงานต่อไปคือการศึกษาคุณสมบัติของฮิกกส์อย่างลงลึกในละเอียดมากขึ้น

ท่อนำอนุภาคในอุโมงค์เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี

เร่งเครื่องจำลองกำเนิดเอกภพ

ศ.ดร.เดอ โรคก์กล่าวว่า เป็นเวลากว่า 100 ปีที่มีการรวมทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเข้าด้วยกัน ควบคู่ไปกับการค้นพบอนุภาคใหม่ๆ จนนำไปสู่ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) สำหรับฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งมีการค้นพบอนุภาคต่างๆ ที่น่าจะมีตามทฤษฎีของแบบจำลองนี้ เหลือเพียงอนุภาคฮิกกส์ที่ยังขาดหายไป แม้ว่าจะมีการทดลองอย่างนับไม่ถ้วน ทั้งนี้ เพื่อจะตอบคำถามพื้นฐานสำคัญคำถามหนึ่งนั่นคือทำไมอนุภาคต่างๆ จึงมวลและทำไมแต่ละอนุภาคจึงมีมวลไม่เท่ากัน

เครื่องเร่งอนุภาคจะจำลองสภาวะหลังระเบิดบิกแบง

ตอนนี้เซิร์นมีเครื่องจักรอันทรงพลังมากที่สุดในโลกที่จะร่วมไขคำตอบดังกล่าว นั่นคือ เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (LHC) ซึ่ง ศ.ดร.เดอ โรคก์เปรียบเทียบว่าทำหน้าที่เหมือนกล้องจุลทรรศน์ให้เรามองเห็นอนุภาคขนาดเล็กๆ ได้ และยิ่งเดินเครื่องเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงแล้วจะยิ่งช่วยให้เรามองเห็นอนุภาคขนาดเล็กๆ ได้ชัดเจนขึ้น และจากสมการ E=mc² อันโด่งดังของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ศ.ดร.เดอ โรคก์บอกว่าเราสามารถสร้างอนุภาคจากเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงๆ ได้

นักฟิสิกส์อาวุโสจากเซิร์นเปรียบเทียบการทดลองเดินเครื่องเร่งอนุภาคที่พลังงานสูงว่า เหมือนการจับยุง 2 ตัวมาพุ่งชนกันที่พลังงานสูงๆ แล้วเกิดเป็นสิ่งมีชีวิตใหม่ที่อาจจะเป็นได้ทั้งไดโนเสาร์ตัวใหญ่ อาจารย์เจไดจากสตาร์วอร์ ยุงเหมือนเดิม ซึ่งเป็นได้ทั้งสิ่งที่คาดไว้และสิ่งที่คาดไม่ถึง โดยการเร่งอนุภาคชนกันดังกล่าวจะสร้างสภาวะและอนุภาคในช่วงเกิดบิกแบง (Big Bang) ระเบิดกำเนิดเอกภพกลับมาอีกครั้ง

อนุภาคมากมายในเอกภพนี้

จากการบรรยายของ ดร.บุรินทร์ อัศวพิภพ นักฟิสิกส์อนุภาคจากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมกับ ศ.ดร.เดอ โรคก์นั้น นักฟิสิกส์ได้ค้นพบอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่าอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอนอีกจำนวนมาก แบ่งเป็น 1.อนุภาคเฟอร์มิออน (fermion) หรืออนุภาคที่องค์ประกอบพื้นฐานของสสาร ซึ่งแบ่งได้เป็น ควาร์ก (Quark) 6 ตัว คือ อัพควาร์ก ดาวน์ควาร์ก สเตรนจ์ควาร์ก ชาร์มควาร์ก บัตทอมควาร์ก ท็อปควาร์ก และเลปตอน (lepton) อีก 6 ตัว คือ อิเล็กตรอน มิวออน เทา อิเล็กตรอนนิวทริโน มิวออนนิวทริโน และเทานิวทริโน กับ 2.อนุภาคเกจโบซอน (gauge boson) หรืออนุภาคที่เป็นสื่อของแรง คือ โฟตอน กลูออน แซดโบซอน และดับเบิลยูโบซอน

ทั้งนี้ เชื่อว่าหลังระเบิดบิกแบงนั้นเอกภพมีพลังงานสูงมากและมีแรงพื้นฐานเพียง 1 แรง แต่เมื่อเวลาผ่านไปพลังงานก็ลดลงและทำให้แรงแยกจากกันเป็น 4 แรง คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และแรงโน้มถ่วง ซึ่งความพยายามตอนนี้นักฟิสิกส์ใกล้จะรวมแรงต่างๆ ได้สำเร็จแล้ว เพียงจิ๊กซอว์ตัวสุดท้ายคือ อนุภาคฮิกกส์ที่เชื่อว่าเป็นต้นกำเนิดของมวลสารในเอกภพ ส่วนแรงโน้มถ่วงนั้นยังไม่สามารถรวมเข้ากับแรงอื่นๆ ได้

อนุภาคต่างๆ ในแบบจำลองมาตรฐานที่ระบุไปนั้นรวมตัวกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งโฟตอนเป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า กลูออนเป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ส่วนแซดโบซอนและดับเบิลยูโบซอนเป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน

ค้นหาสุดยอดคู่สมมาตรไขปริศนา “สสารมืด”

การค้นหาฮิกกส์เป็นเพียงเป้าหมายหนึ่งของเซิร์นเท่านั้น โดยจุดมุ่งหมายสำคัญนั้นเพื่อตอบคำถามให้ได้ถึงกำเนิดเอกภพ ซึ่งเซิร์นก็ดำเนินการพิสูจน์ทฤษฎีอื่นๆ ที่จะตอบคำถามสำคัญดังกล่าว และหนึ่งในนั้นคือการพิสูจน์ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด (Supersymmetry: SUSY) ที่อธิบายว่าอนุภาคชนิดย่อมมีคู่สมมาตรทางสปิน ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงตั้งหน้าตั้งตาค้นหาคู่สมมาตรที่ขาดหายไป

ดร.บุรินทร์กล่าวว่าหากทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดเป็นจริงนักวิทยาศาสตร์จะต้องพบคู่สมมาตรของอนุภาคเฟอร์มิออนและอนุภาคเกจโบซอน โดยพิจารณาจาก “สปิน” ซึ่งเป็นสถานะทางควอนตัมของอนุภาค สำหรับเฟอร์มิออนนั้นมีค่าสปินอยู่เป็น 1/2 ส่วนเกจโบซอนมีค่าสปินเป็น 1 ดังนั้น คู่สมมาตรของเฟอร์มิออนจึงต้องมีสปินเป็น 1 ส่วนคู่สมมาตรของเกจโบซอนต้องมีค่าสปินเป็น 1/2 นอกจากนี้เรายังใช้สมมาตรยิ่งยวดเพื่อศึกษา “สสารมืด” ที่สังเกตได้ยากได้ เพราะเราไม่อาจตรวจวัดสสารมืดได้โดยตรง เนื่องจากสสารมืดมีอันตรกริยาน้อย สิ่งที่ทำได้คือวัดอนุภาคทั้งหมดเพื่อหาอนุภาคที่ขาดหายไป โดยเชื่อว่าอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดนั้นเป็น “แคนดิเดต” ของสสารมืด

การเดิน ทางมาบรรยายพิเศษของ ศ.ดร.เดอ โรคก์ นี้เป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือระหว่างไทยและเซิร์นที่มีจุดเริ่มต้นเมื่อ ครั้งสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จเยือนเซิร์นในปี 2541 ส่งผลให้เกิดความร่วมมือระหว่างไทยและเซิร์นอย่างเป็นทางการและเป็นชาติแรก ในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ซึ่ง ดร.บุรินทร์กล่าวว่า ไทยถือเป็นต้นแบบของความร่วมมือเช่นนี้ อย่างไรก็ดี เมื่อเปรียบเทียบกับประเทศเพื่อนบ้านอย่างเวียดนามแล้ว ไทยยังมีความก้าวหน้าทางด้านฟิสิกส์อนุภาคน้อยกว่าเวียดนาม