Home arrow บทความฟิสิกส์ arrow ธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Force)
Home    Contacts



ธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Force) PDF พิมพ์

ธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Force) ที่แปรผันกับระยะทางได้รับการยืนยันจากการทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาคสแตนฟอร์ดvn1107x0

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเป็นหนึ่งในสี่แรงมูลฐานของจักรวาล (แรงอื่นๆ อีกสามแรงได้แก่ แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม) ถึงแม้ว่าแรงชนิดนี้จะไม่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่สามารถสังเกตเห็นได้ง่ายดังเช่นแรงโน้มถ่วงหรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อีกทั้งในชีวิตประจำวันก็มีการประยุกต์ในการนำแรงชนิดนี้ไปใช้น้อยมาก แต่แรงประเภทนี้ก็มีความสำคัญต่อชีวิตทุกชีวิตบนโลกใบนี้ แสงอาทิตย์ที่ส่องมายังโลกทุกวัน เป็นผลมาจากการปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Interaction) ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ เมื่อไม่มีแรงประเภทนี้แล้ว คงไม่มีแสงอาทิตย์ส่องมาหล่อเลี้ยงสิ่งมีชีวิตบนโลกให้ดำรงชีวิตอยู่ได้ นอกจากนี้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนยังเป็นตัวการที่ก่อให้เกิดความร้อนภายใต้โลก ซึ่งก่อให้เกิดการไหลวนของแมกมาอันเป็นสาเหตุที่แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่และเกิดแผ่นดินไหว ส่วนในทางโบราณคดี การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนยังสามารถนำมาใช้หาอายุของซากวัตถุโบราณ และในด้านการแพทย์ แรงประเภทนี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการตรวจวินิจฉัยและรักษาโรคได้อีกด้วย

ในโครงการทดลอง E158 ของสถานีเครื่องเร่งอนุภาคที่สแตนฟอร์ด หรือ SLAC (Stanford Linear ACcelerator) นักฟิสิกส์ได้สังเกตุพบธรรมชาติที่สำคัญของแรงชนิดนี้ ปรากฏการณ์ที่ว่าก็คือการที่ความเข้มของแรงชนิดนี้จะอ่อนตัวลงเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยกลุ่มนักฟิสิกส์ของโครงการ E158 ได้ใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงมากๆ ตรวจสังเกตเห็นสัญญาณการอ่อนตัวลงของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวเมื่อมันแยกออกห่างจากกันเรื่อยๆ ผลการสังเกตครั้งนี้ได้เป็นที่ยอมรับในวงการและอยู่ระหว่างรอการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters หนึ่งในวารสารชั้นนำของสาขาวิชาฟิสิกส์

คริชนา คูมาร์ หนึ่งในผู้อำนวยการร่วมของโครงการทดลอง E158 ได้กล่าวว่า “ในทางทฤษฎีฟิสิกส์ของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนแล้ว นักฟิสิกส์ต่างเชื่อว่า ความเข้มของมันจะอ่อนตัวเมื่อระยะทางห่างมากขึ้นเรื่อยๆ แต่การพิสูจน์เพื่อยืนยันความเชื่อนี้มันไม่ง่ายเลย” คูมาร์กล่าวต่ออีกว่า “ในโครงการทดลองของเรา เราได้ใช้ลำแสงขนาดมหึมา และสามารถทำให้พวกเราตรวจเห็นปรากฏการณ์ที่ว่านี้ได้สำเร็จ ซึ่งมันเป็นอะไรที่ทำได้ยากมากเพราะต้องใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูง การประสบความสำเร็จครั้งนี้เป็นอีกก้าวของความสำเร็จทางวิทยาการและเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ ผู้คนส่วนใหญ่ที่ทราบถึงการทดลองครั้งนี้ ต่างก็ไม่เชื่อว่าเราจะทำได้สำเร็จ”

การตรวจวัดที่มีความแม่นยำสูงมากครั้งนี้ โครงการ E158 ต้องใช้อิเล็กตรอนจำนวนมากๆ โดยที่เครื่องเร่งอนุภาค SLAC ได้ผลิตอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงกว่า 500 พันล้านตัวรวมอยู่ในกลุ่มก้อนอนุภาค จากนั้นก็จะยิงมันเข้าไปที่เป้า ซ้ำๆกัน กว่า 700 ล้านครั้ง โดยในครึ่งหนึ่งของอิเล็กตรอนพวกนี้จะถูกทำให้มี “สปิน” หรือ แกนการหมุนรอบตัวเอง เป็นแบบมือขวา (right-handed spin) ส่วนอีกครึ่งหนึ่ง จะถูกทำให้มีสปินแบบมือซ้าย (left-handed spin) อิเล็กตรอนบางตัวเมื่อเข้าสู่เป้าแล้วก็จะมีการกระเจิงออกไปพร้อมกับมีการแลกเปลี่ยนอนุภาคสื่อนำแรง (mediator particle) กับอนุภาคอิเล็กตรอนของเป้า ซึ่งส่วนใหญ่ อนุภาคสื่อนำแรงพวกนี้ แทบทุกครั้งจะเป็นอนุภาคโฟตอน อันเป็นตัวอนุภาคสื่อนำแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ส่วนกรณีที่อิเล็กตรอนพวกนี้จะมีการแลกเปลี่ยนอนุภาค Z กับอิเล็กตรอนของเป้า ( Z เป็นหนึ่งในอนุภาคสื่อนำแรงของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน อนุภาคอีกสองตัวคือ W+ และ W-) จะมีอัตราการเกิดขึ้นน้อยมาก โดยเมื่อเทียบกับกรณีแรกแล้ว จะคิดเป็นอัตราส่วนประมาณ 1 ครั้งที่มีการแลกเปลี่ยนอนุภาค Z ต่อ 1 ล้านครั้งที่มีการแลกเปลี่ยนอนุภาคโฟตอน

ความท้าทายของนักฟิสิกส์ที่สแตนฟอร์ดในการทดลองครั้งนี้ก็คือ การที่พวกเขาต้องหาวิธีการที่จะตรวจจับการอ่อนตัวลงของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนที่ส่งสัญญาณให้ตรวจวัดน้อยมากๆ ให้ได้ โดยเทคนิคที่นักฟิสิกส์ของโครงการ E158 ใช้ก็คือการใช้ธรรมชาติของความไม่สมมาตร (asymmetry) ของการเกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Interaction) ให้เป็นประโยชน์

ธรรมชาติของความไม่สมมาตรที่ว่าก็คือ เมื่ออิเล็กตรอนมีการกระเจิงตัวที่เป้าและเกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนแล้วมันจะมีความแตกต่างเล็กน้อยในอัตราที่อิเล็กตรอนสปินมือขวาและอิเล็กตรอนสปินมือซ้ายจะแลกเปลี่ยนอนุภาค Z กับอนุภาคเป้า โดยประมาณแล้วการกระเจิงตัวของกลุ่มอิเล็กตรอนสปินมือขวาราว 20 ล้านครั้งจะมีการแลกเปลี่ยนอนุภาค Z ประมาณ 60 – 70 ตัว ในขณะที่การกระเจิงตัวของอิเล็กตรอนสปินมือซ้ายจะมีการแลกเปลี่ยนอนุภาค Z มากกว่ากรณีของอิเล็กตรอนสปินมือขวาประมาณ 5 ตัว ความไม่สมมาตรนี้จะมีขนาดของมันสัมพันธ์กับความเข้มของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน

ในโครงการทดลอง E158 นี้เอง นักฟิสิกส์ของโครงการทดลองได้ประสบความสำเร็จในการตรวจพบความแตกต่างของความไม่สมมาตรเพียงเล็กน้อยที่ว่านี้ในขณะที่อิเล็กตรอนสองตัวแยกออกห่างจากกัน อันเป็นทำให้พวกเขาได้ข้อสรุปที่ว่า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนนี้ จะมีความเข้มของแรงน้อยลงที่ระยะห่างขึ้นกว่าเดิม

ในทฤษฎี Standard Model ซึ่งเป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์อนุภาคและพลังงานสูงที่ถูกยอมรับกันมากที่สุดในปัจจุบัน ได้อธิบายการอ่อนแรงลงของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนที่ระยะทางเพิ่มขึ้นไว้ว่า เหตุที่แรงชนิดนี้อ่อนตัวลงก็เพราะ “ความผกผันทางควอนตัม” (quantum fluctuation) ซึ่งก็คือปรากฏการณ์ที่สุญญากาศรอบๆอนุภาคทุกตัวจะมีการคายและดูดกลืน “อนุภาคเสมือน” (virtual particle) อยู่ตลอดเวลา โดยเป็นการคายและดูดกลืนที่ไม่มีแบบแผนตายตัว ซึ่ง ก่อให้เกิดกลุ่มหมอกของอนุภาคเสมือนที่ก่อตัวเป็นกำบัง ระหว่างอนุภาคอิเล็กตรอนสองตัวที่อยู่ห่างกัน

บิลล์ มาร์เซียโน นักฟิสิกส์ทฤษฎีอาวุโส ของสถาบันวิจัยแห่งชาติ บรูคแฮบเวน สหรัฐอเมริกา ได้กล่าวยกย่องโครงการทดลอง E158 ว่า “การทดลองครั้งนี้ เป็น tour de force ของกลุ่มนักฟิสิกส์ทดลองพรสวรรค์ทั้งหลาย” และกล่าวต่ออีกว่า “การตรวจวัดปรากฏการณ์ การทำลายของคู่ ที่มีสัญญาณให้ตรวจจับได้น้อยมากๆ โดยใช้เทคนิคที่มีความแม่นยำสูง ครั้งนี้ ช่วยพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎี Standard Model ได้เป็นอย่างดีและยังเป็นตัวยืนยันทฤษฎีของธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนที่จะอ่อนแรงลง เมื่อระยะทางห่างออกไป”

การทดลองครั้งนี้ เป็นการทดลองร่วมกันของกลุ่มนักฟิสิกส์จาก SLAC มหาวิทยาลัยแมสซาชูเสทท์ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบอร์กลีย์ มหาวิทยาลับซายราครุยส์ สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ศูนย์ปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน วิทยาลัยสมิท มหาวิทยาเวอร์จิเนีย และ ศูนย์ปฏิบัติการซาคลายของฝรั่งเศส

ข้อมูลจาก

- สถานีเครื่องเร่งอนุภาค SLAC
http://www.slac.stanford.edu/

- ข่าวจากเว็บไซต์ Physorg.com
http://www.physorg.com/news5150.html

ข้อมูลเพิ่มเติม

- เว็บไซต์สำหรับเยาวชนในการศึกษาเกี่ยวกับฟิสิกส์อนุภาค
http://particleadventure.org/particleadventure/

- สถาบันวิจัยนิวเคลียร์แห่งชาติยุโรป หรือ CERN
http://cern.ch

- บทความ “มารู้จักควากร์กันเถอะ” โดย ดร.อภิสิทธิ์ อึ้งกิจจานุกิจ ใน vcharkarn.com
http://www.vcharkarn.com/include/article/showarticle.php?Aid=254

ภาพที่เห็นข้างบนวาดโดย ยูนา คูริฮารา จาก SLAC

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >
สถิติผู้เยี่ยมชม: 35963215
ขณะนี้มี 1 บุคคลทั่วไป ออนไลน์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!