มวลเชิงลบตอนที่ 3 | เครื่องเร่งอนุภาค

ใครอึดเชิญอ่าน ยาวสุด เข้มสุด เนื้อหาแน่นสุดกว่า 2 ตอนก่อนหน้า

ความเดิมจากตอนที่ 2 นักวิทยาศาสตร์มีข้อสงสัยว่าสสารมืด (Dark Matter) และมวลเชิงลบ (Negative Mass) อาจเป็นสิ่งเดียวกัน แต่ในปัจจุบันเรามักพุ่งเป้าความสนใจในการศึกษาและเรียกมวลปริศนานี้ว่า “สสารมืด” เป็นส่วนใหญ่

ตั้งแต่ยุคถือกำเนิดเอกภพ เดิมมวลสารก่อกำเนิดหลอมรวมอยู่ที่จุดเดียวกัน เรียกว่า “Singularity” นอกจากมวลสารแล้วแรงในธรรมชาติทั้ง 4 ก็เชื่อว่าเคยรวมอยู่ด้วยกันมาก่อน หลังจากเกิดการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) มวลสารและแรงก็กระจัดกระจายกันไป แรงเหล่านั้นประกอบไปด้วย

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และแรงโน้มถ่วง (ในบางครั้ง 3 แรงแรกนิยมเรียกนำหน้าด้วยคำว่า “อันตรกิริยา…….) แรงทั้งสี่สร้างปริศนามาอย่างยาวนานว่าอะไรทำให้แรงพวกนี้เกิดขึ้นได้ในธรรมชาติ ทุกอย่างต้องมีสาเหตุ

ในช่วงปี ค.ศ. 1924-25 วิชาควอนตัมเชิงสถิติถือกำเนิดขึ้น โดยเป็นหนึ่งในศาสตร์ทางฟิสิกส์ที่พยายามอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็กที่อยู่รวมกันหลายตัว เพราะการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของอนุภาค นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในระดับมหภาค ถ้าเราเข้าใจพฤติกรรมของสิ่งเล็ก ๆ ได้ ก็น่าจะอธิบายธรรมชาติขนาดใหญ่ได้ โดยแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่ ควอนตัมเชิงสถิติของ Fermi – Dirac และควอนตัมเชิงสถิติของ Bose – Einstein

ควอนตัมเชิงสถิติของ Bose – Einstein สองนักฟิสิกส์ชื่อดัง ได้ให้ความสนใจสภาวะของอนุภาคที่อยู่ในสภาวะเดียวกัน (Same State) โดยเฉพาะอนุภาคที่ไหลเป็นสายกันอย่างเหนียวแน่น (Cohesive Streaming) เช่น แสงเลเซอร์ที่โฟตอนวิ่งเกาะกลุ่ม หรือของไหล Superfluid Helium ทฤษฎีดังกล่าวยังถูกใช้ในการอธิบายอนุภาคที่เชื่อว่าเป็นสาเหตุของการเกิดแรงในธรรมชาติทั้ง 4 อีกด้วย (ในขณะที่ควอนตัมเชิงสถิติของ Fermi – Dirac จะสนใจกลุ่มอนุภาคโดยแต่ละตัวมีระดับพลังงานที่ต่างกัน – Difference State)

องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN)

ในปี ค.ศ. 2008 องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป หรือ CERN ทดลองเดินเครื่องเร่งอนุภาคแฮรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider : LHC) จนสำเร็จเป็นครั้งแรก เมื่อเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคเข้าสู่สภาวะเสถียร จึงปรับเส้นทางให้เกิดการชนกัน เชื่อว่าการปรับเปลี่ยนพลังงานในการเคลื่อนที่ของอนุภาคมากขึ้นเรื่อย ๆ จะนำไปสู่การค้นพบอนุภาคใหม่

เมื่ออนุภาคชนกัน ก็ต้องมีเครื่องไม้เครื่องมือในการวัดผลที่เกิดขึ้น โดยมีเครื่องตรวจจำนวน 6 ชุด แบ่งออกเป็น

• เครื่องตรวจวัดอเนกประสงค์ 2 ชุด ได้แก่ ATLAS และ CMS
• เครื่องตรวจ ALICE ใช้ตรวจจับเฉพาะตอนชนนิวเคลียสอะตอมหนักเท่านั้น(ส่วนใหญ่คือตะกั่ว) (แก้ไข – ขอบคุณคุณ Chaowaroj Wanotayaroj)
• เครื่องตรวจวัดเฉพาะงานขนาดเล็กอีก 3 ชุด ได้แก่ LHCb (ถึงแม้จะออกแบบมาเพื่อการศึกษาความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารโดยเฉพาะ แต่ก็ทำงานแบบอเนกประสงค์ได้) และเครื่องตรวจอีกสองตัวคือ TOTEM และ LHCf

สรุป มีเครื่องให้ชน 1 เครื่อง เครื่องวัดอีก 6 ชุด โดยอุปกรณ์เหล่านี้จะคอยตรวจหาอนุภาคที่มีระดับพลังงานหรือเอกลักษณ์ตามทฤษฎีควอนตัมเชิงสถิติ ถ้าเจอ > เราพบอนุภาคใหม่

ปัจจุบันเราทราบผลแน่ชัดแล้วว่า แรงในธรรมชาติมีอนุภาคมูลฐานที่เป็นตัวการทำให้เกิดแรง ดังนี้

• แรงแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากอนุภาค “Photon” มี spin เป็น 1 (ค่า angular momentum โดยธรรมชาติของอนุภาค)
• แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน – เกิดจากอนุภาค W และ Z โบซอน
• แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม – เกิดจากอนุภาค Gluons (มาจากคำว่า Glue = กาว เกิดจากการรวมตัวของอนุภาคควากส์ที่ยึดเหนี่ยวกันอย่างเหนียวแน่น)
• และแรงโน้มถ่วง – เกิดจาก Graviton ซึ่งอนุภาคอย่างหลังนี้ ยังไม่มีการค้นพบ แต่ตามทฤษฎีได้ทำนายไว้ว่ามันจะมี spin เป็น 2

ใครอ่านมาถึงตรงนี้ได้แอดมินขอคาราวะ (ถ้าอ่านถึงจริงไหนลอง comment คำว่า “แฮร่” หน่อยครับ 555) เพราะแอดมินก็ใช้ระยะเวลาเรียบเรียงเกือบวันกว่าจะเรียบเรียงเรื่องที่ยากกว่าจะเข้าใจให้กระชับ มันไม่ง่ายเลย เอาเป็นว่าที่เกริ่นมาหลายย่อหน้า เพราะต้องการจะบอกว่า

“มันต้องมีอนุภาคมูลฐานสักตัวที่เป็นต้นตอที่ทำให้เกิดสสารมืด!! และ CERN จะใช้การทดลองจากเครื่องเร่งอนุภาคหามันนี่แหละครับ :D”

อย่างในปี ค.ศ. 2012 อนุภาค Higgs Boson อนุภาคที่ช่วยตอบคำถามได้ว่าทำไมอนุภาคบางตัวถึงมีมวล (Mass) ก็เคยเป็นหนึ่งในคำทำนายของนักฟิสิกส์นามว่า Higgs อยู่หลายสิบปี CERN ทดลองชนอนุภาคแล้วอนุภาคเล่ามากกว่าพันล้านพันล้านอนุภาคกว่าจะเจอ เลยมีชื่อเล่นว่า “อนุภาคพระเจ้า – God Particle” ถึงแม้เจ้าตัวเองและนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ ก็ไม่ชอบให้เรียกแบบนั้นก็ตาม

แล้วจะหาสสารมืดอย่างไงล่ะ

ในต้นปี 2019 ที่ผ่านมานี้เอง CERN ได้สร้างเครื่องมือชิ้นใหม่ป้ายแดงนามว่า FASER จุดเด่นคือ มันมีความไวต่อการตรวจจับ (Highly-sensitive) สามารถตรวจจับอนุภาคที่แทบจะระบุรายตัวได้เลย (Spot Particle) (ตัวตรวจจับก่อนหน้ามักบอกเป็นกลุ่มเล็ก ๆ ได้ จึงไม่เหมาะที่จะนำมาทดลองหาสสารมืด)

โดยเชื่อว่าเครื่องมือดังกล่าวจะสามารถระบุอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคที่เรารู้จักกับสสารมืดที่ตามหาได้ เนื่องจากอนุภาคแปลกประหลาด (Exotic Particles – อ้างจากตอนที่ 2) มักมีพฤติกรรมหนีการตรวจจับของเครื่องเครื่องตรวจ 6 ชุดตามที่กล่าวไปก่อนหน้า

ทีนี้เรารู้ว่าสสารมืดไม่ทำอันตรกิริยากับแสง จึงทำให้เราตรวจจับจากกล้องโทรทรรศน์ไม่ได้ ดังนั้นไอเดียของนักฟิสิกส์ก็คือ

เร่งลำอนุภาคโปรตอน จากนั้นเบนด้วยสนามแม่เหล็กที่อยู่รอบ ๆ เครื่อง LHC แน่นอนว่ากระบวนการดังกล่าวจะเกิดแสง หรือ Photon ขึ้น ถ้า FASER ตรวจจับอนุภาคใดที่ยังคงวิ่งตรงต่อไปได้ (เหมือนม้าวิ่งหลุดนอกลู่วิ่ง) นั่นอาจทำให้เราพบสสารมืด!

โดยอาจมีการตั้งชื่อว่า Dark Photons และ Neutralinos (สถานะของอนุภาคทั้ง 2 ยังเป็นแค่ทฤษฎี) ทั้งสองอนุภาคเชื่อว่ามีความเกี่ยวข้องกับสสารมืด และการทดลองรันเครื่องเร่งอนุภาค และ FASER จะเริ่มในช่วงปี 2021 – 2023 ที่จะถึงนี้

เรียบเรียงโดย Einstein@min | @thaiphysicsteacher.com
แก้ไขเพิ่มเติมโดยคุณ Chaowaroj Wanotayaroj และ Surapat Ek-in

Sources:
[1] CERN lab on the hunt for dark matter. phys.org, 2019
[2] Dark matter. CERN, 2019
[3] Elementary particle. wikipedia, 2019

[4] Higgs boson. wikipedia, 2019
[5] Bose–Einstein statistics. wikipedia, 2019

[5] Fermi–Dirac statistics. wikipedia, 2019
[6] Singularity (system theory). Wikipedia, 2019