การศึกษาอนุภาคมูลฐาน

 การศึกษาอนุภาคมูลฐาน

Democritus นัก ปรัชญา ผู้ ยิ่ง ใหญ่ แห่งเมือง Abdera ใน ประเทศ กรีซ เมื่อ 2460 ก่อน ได้ เคย พยายาม ทำ อัตวินิบาตกรรม ด้วย การ อด อาหาร แต่ แผน ทำลาย ชีวิต ของ เขา ต้อง ประสบ ความ ล้ม เหลว เมื่อ เขา ได้ กลิ่น ขนม ปัง ร้อน ๆ ทำ ให้ รู้ สึก หิว และ เกิด ความ หวัง ที่ จะ มี ชีวิต อยู่ ต่อ ไป เขา ได้ ตั้ง คำ ถาม ที่ สำคัญ มาก กว่า กลิ่น ขนม ปัง โชย มา สู่ จมูก เขา ได้ อย่าง ไร
หลัง จาก ที่ ได้ นึก คิด หา คำ ตอบ เป็น เวลา นาน Democritus ก็ ได้ ตั้ง สมมติ ฐาน ขึ้น มา ว่า สสาร ทุก ชนิด ใน จักรวาล ประกอบ ด้วย อนุภาค ที่ เล็ก ที่ สุด ที่ เรียก ว่า อะตอม (atom) อัน เป็น คำ ใน ภาษา กรีก ที่ แปล ว่า แยก ไม่ ได้ และ อะตอม ของ ขนม ปัง นี้ เอง ที่ ได้ หลุด หาย ไป ใน อา กาศ โชย มา สู่ จมูก เขา
อัน ความ คิด ที่ ว่า มนุษย์ เรา ไม่ สามารถ แบ่ง แยก อะตอม ได้ อีก แล้ว ได้ เป็น ความ รู้ ที่ผู้คน พา กัน เชื่อ มั่น และ ถือ มั่น เป็น เวลา นาน กว่า 2,000 ปี
จน กระทั่ง E.Rutherford ได้ ทด ลอง ยิง อนุภาคอัลฟา (alpha) ผ่าน แผ่น ทอง คำ เปลว บาง ๆ แล้ว ได้ ข้อ สรุป ว่า อะตอม ประกอบ ด้วย ส่วน ที่ เป็น แกน กลาง ซึ่ง เรียก ว่า นิวเคลียส (nucleus) และ อิเล็กตรอน (electron) ที่ โคจร อยู่ รอบ นิวเคลียส โลก จะ รู้ ว่า อะตอม นั้น จริงๆ แล้ว แบ่ง แยก ได้ !
เมื่อ วิทยา ศาสตร์ ได้ วิวัฒนาการ ขึ้น เรา ก็ มี ความ รู้ เพิ่ม ขึ้น ๆ ว่า นิวเคลียส ของ อะตอม ยัง ประกอบ ด้วย อนุภาค ที่ เล็ก ลง ไป อีก คือ โปรตอน (proton) ที่ มี ประจุ บวก และ นิวตรอน (neutron) ที่ เป็น กลาง คือ ไม่ มี ประจุ บวก หรือ ลบ ใด ๆ

หลัง จาก ที่ ได้ มี การ พบ นิวตรอน แล้ว เป็น เวลา นาน ร่วม 40 ปี ที่ คน ส่วน มาก คิด ว่า โปรตอน และ นิวตรอน เป็น อนุภาค ที่ เล็ก ที่ สุด ของ สสาร แต่ ใน ปี พ.ส . 2503 นั่น เอง J.Friedman , H. Kendall และ R. Taylor ได้ ใช้เครื่องเร่ง อนุภาค (accelerator) ยิง อิเล็กตรอน พลัง งาน สูง ให้ พุ่ง ชน โปรตอน ผล การ ทด ลอง ของ เขา ทั้ง สาม ได้ แสดง ให้ เรา รู้ ลึก ล่วง ไป อีก ระดับ หนึ่ง ว่า โปรตอน นั้น ยัง ประกอบ ด้วย อนุภาค ที่ เล็ก กว่า ลง ไป อีก คือ ควาร์ก (quark)

ปัจจุบัน นัก ฟิสิกส์ ได้ พบ ว่า ควาร์กใน ธรรม ชาติ มี 6 ชนิด คือ ชนิด up, down, strange, charm, top และ bottom เมื่อควาร์ก 6 ชนิด นี้ มา รวม กัน เช่น เมื่อ ชนิด top 2 ตัว กับชนิด down 1 ตัว รวม กัน เรา จะ ได้ โปรตอน และ หาก เรา มี ชนิด top 1 ตัว และ ชนิด down 2 ตัว เรา ก็ จะ ได้ อนุภาค นิวตรอน อนุภาค ตัว อื่น ๆ ก็ ได้ จาก การ รวมควาร์กรูป แบบ ต่าง ๆ กัน
ควาร์กเป็น อนุภาค ที มี ประจุ แต่ การ ที่ มัน อยู่ รวม กัน ได้ เพราะ มี แรง นิวเคลียร์ ชนิด รุน แรง กระ ทำ มัน แรง ชนิด นี้ แตก ต่าง จาก แรง ชนิด อื่น ๆ ใน ประเด็น ที่ ว่า เมื่อควาร์กอ ยู่ ใกล้ กัน แรง ดึง ดูด จะ มาก มหาศาล และ นี่ ก็ คือ เหตุ ผล ว่า เหตุ ใด ตราบ เท่า ทุก วัน นี้ นัก ฟิสิกส์ จึง ไม่ สามารถ แยกควาร์กอ อก มา ให้ เรา เห็น เป็น อนุภาค อิสระ ได้
ดัง นั้น ตลอด ระยะ เวลา 37 ปี ที่ ผ่าน มา นัก ฟิสิกส์ จึง มี ความ เชื่อ อย่าง ระ มัด ระวัง ว่า ควาร์กเป็น อนุภาค มูลฐาน (elementary particle) ที่ เล็ก ที่ สุด ที่ เรา ไม่ มี วัน แบ่ง แยก มัน ได้ อีก ต่อ ไป แล้ว
ใน แง่ ของ ทฤษฎี นัก ฟิสิกส์ ใช้ ทฤษฎี ที่ ชื่อ Standard Model ใน การ อธิบายปรากฏการณ์ ต่าง ๆ ทางไฟ ฟ้า และ ทางนิวเคลียร์ ทุก รูป แบบ แต่ ทฤษฎี นี้ ก็ ยัง มี สภาพ ที่ ไม่ สมบูรณ์ เพราะ ทฤษฎี ยัง ไม่ สามารถ ตอบ คำ ถาม ง่าย ๆ ที่ ว่า เหตุ ใด โปรตอน จึง หนัก กว่า อิเล็กตรอน และ เหตุ ใด อนุภาค ทั้ง สอง ซึ่ง มี ขนาด แตก ต่าง กัน จึง มี ประจุ ไฟ ฟ้า เท่า กัน
ใน ความ พยายาม ที่ จะ ตอบ คำ ถาม "พื้น ๆ " เช่น นี้ Standard Model ได้ ตั้ง สมมติ ฐาน ว่า มี อนุภาค อีก ตัว หนึ่ง ชื่อ Higgs อนุภาค นี้ ปัจจุบัน ยัง ไม่ มี ใคร เคย เห็น แต่ เมื่อ ครั้ง จักรวาล อุบัติ เมื่อ 15,000 ล้าน ปี ก่อน โน้น อนุภาค นี้ มี มาก มาย Higgs เป็น อนุภาค ที่ ให้ กำเนิด และ เป็น ตัว กำหนด มวล ของ อนุภาค ต่าง ๆ ทุก ชนิด ใน จักรวาล
แต่ เมื่อ ยัง ไม่ มี ใคร เคย เห็น Higgs ดัง นั้น ความ ศรัทธา และ เชื่อ มั่น ใน ทฤษฎี Standard Model จึง ยัง ไม่ ถึง 100% เต็ม ใน การ ค้น หา อนุภาค Higgs นัก ฟิสิกส์ ใช้เครื่องเร่ง อนุภาค ที่ มี ชื่อ เป็น ทางการ ว่า Large Electron Position Collider(LEP) อุปกรณ์ นี้ มี ลักษณะ เป็น ท่อ กลม รูป ร่าง คล้าย โดนัท มี เส้น รอบ วง ยาว 25 กิโลเมตร มี เส้น ผ่า ศูนย์ กลาง ของ ท่อ ยาว 4 เมตร มี น้ำ หนัก 80,000 ตัน มี สาย ไฟ ยาว 6,000 กิโลเมตร และ (เหนือ สิ่ง อื่น ใด) มี ราคา 2.5 หมื่น ล้าน บาท เครื่องเร่ง อนุภาค LEP จึง เป็น อุปกรณ์ วิทยา ศาสตร์ ขนาด มโหฬาร ที่ สุด ของ โลก เพราะ ขณะ ที่ อนุภาค กำลัง ถูก เร่ง รัง สี ต่าง ๆ จะ ถูก แผ่ ออก มา มาก มาย ดัง นั้น ตัว อุปกรณ์ ทั้ง ชุด ถูก ฝัง อยู่ ใต้ ดิน ที่ ระดับ ลึก 100 เมตร ณ บริเวณ ชาน เมือง Geneva ใน ประเทศ สวิตเซอร์แลนด์
นัก ฟิสิกส์ 4,000 คน จาก ทั่ว โลก ใช้ LEP เร่ง อนุภาค อิเล็กตรอน และ โพ สิต รอน (ซึ่ง เป็น อนุภาค ที่ มี มวล เท่า อิเล็กตรอน แต่ มี ประจุ ชนิด ตรง กัน ข้าม) กระทั่ง มี ความ เร็ว 99.999996% ของ ความ เร็ว แสง จาก นั้น ก็ บังคับ ให้ อนุภาค ทั้ง สอง ชนิด นี้ พุ่ง ชน กัน
เวลาอิเล็ก ตรอน และ โพ สิต รอน พลัง งาน สูง ปะทะ กัน พลัง งาน บาง ส่วน จะ ถูก เปลี่ยน ไป เป็น อนุภาค ตัว ใหม่ ตาม สมการ E = mc2 ของ ไอน์สไตน์ ดัง นั้น ใน การ ชน กัน ระหว่าง อนุภาค ทั้ง สอง จะ มี อนุภาค เกิด ใหม่ มาก มาย เปรียบ เสมือน การ ชน รถ โต โยต้า 2 คัน แล้ว มี รถฮอนด้า นิสสัน จักรยาน ยนต์ หรือ แม้ แต่ รถ ไฟ พุ่ง กระเจิดกระเจิง ออก มา
นัก ฟิสิกส์ คาด หวัง ว่า LEP ที่ มี ขนาด ใหญ่ ราว ภู เขา เครื่องนี้ จะ สามารถ สร้าง อนุภาค Higgs ได้ และ ถึง แม้ อายุ ขัย ของ Higgs จะ น้อย นิด เพียง 0.000,000,000,000,012 วินาที ก็ ตาม แต่ นัก ฟิสิกส์ ยุค ปัจจุบัน ก็ สามารถ เห็น มัน ได้ ความ ยุ่ง ยาก ใน การ หา Higgs จึง เปรียบ เสมือนกับการ ค้น หา เพื่อน ที่ เรา รู้ จัก หนึ่ง คน และ เพื่อน คน นั้น อายุ สั้น มาก ใน ท่ามกลาง คน 1,000 ล้าน คน
ใน การ ทด ลอง ยิง อิเล็กตรอน ด้วย โพ สิต รอน ใน ช่วง เวลา สอง ปี ที่ ผ่าน มา ได้ มี เหตุ การณ์ ประหลาด ๆ ที่ นัก ฟิสิกส์ ไม่ คาด ฝัน เกิด ขึ้น 18 ครั้ง ซึ่ง Standard Model อธิบาย ไม่ ได้ เลย เหตุ การณ์ ประหลาด ที่ ว่า นี้ อุปกรณ์ ตรวจ จับ อนุภาคเครื่องหนึ่ง เห็น แต่ อีก สามเครื่องที่ ติด ตั้ง อยู่ ใกล้ กัน ไม่ เห็น
คำ ตอบ ที่ เป็น ไป ได้ คือ อุปกรณ์ หนึ่ง หรือ สามเครื่องทำ งาน บก พร่อง หรือ Standard Model บก พร่อง
ตั้ง แต่ เริ่ม การ ทด ลอง ใน ปี พ.ศ . 2538 เป็น ต้น มา นัก ฟิสิกส์ ได้ เคย เห็น เหตุ การณ์ ประหลาด นี้ 2 – 3 ครั้ง แล้ว แต่ คน หลาย คน คิด ว่า สิ่ง ที่ เห็น เป็น เรื่องฟลุ้ก เป็น ความ แปรปรวน ทางสถิติ ของ เหตุ การณ์ เป็น ผล สืบ เนื่อง จาก การ ทำ งาน บก พร่อง ของเครื่องมือ เป็น ความ สะเพร่า ของ นัก ทด ลอง ฯลฯ ทุก คน จึง คาด หวัง ว่า หาก ได้ มี การ ทด ลอง ที่ พลัง งาน สูง ขึ้น ไป อีก เหตุ การณ์ ที่ คิด ว่า "มี " นั้น จะ "ไม่ มี "
แต่ เมื่อ เพิ่ม พลัง งาน ของ อิเล็กตรอน เหตุ การณ์ ประหลาด ก็ มี ให้ เห็น เพิ่ม ขึ้น และ เมื่อ ข้อ มูล การ ทด ลอง ขาด ทฤษฎี สนับสนุน นัก ทด ลอง จึง คิด ว่า ทฤษฎี Standard Model จะ ต้อง มี การ รื้อ ร่าง ใหม่ ส่วน นัก ทฤษฎี ก็ ยัง ไม่ ยอม รับ ผล การ ทด ลอง เพราะ อุปกรณ์ ตรวจ จับ อีก 3 เครื่องของ LEP ราย งาน ว่า ไม่ เห็น อะไร เลย
แล้ว เรา จะ หา ทา งอ อก กัน ได้ ยังไงครับ
หน ทางเดียว ที่ จะ ยุติ ความ ขัด แย้ง นี้ คือ นัก ฟิสิกส์ ต้อง ทด ลอง หา ข้อ มูล เพิ่ม เติม ต่อ ไป ดัง นั้น ใน เดือน พฤษภาคม นี้ LEP จะ เดินเครื่องอีก เหตุ การณ์ 18 เหตุ การณ์ นั้น อาจ จะ เป็น ก้อน น้ำ แข็ง เล็ก ๆ ที่ จะ ละ ลาย หาย ไป ใน ทะเล หรือ เป็น ปลาย ยอด ของ น้ำ แข็ง ก้อน ใหญ่ ที่ ได้ เคย จม เรือ Titanic มา แล้ว ใคร จะ รู้
ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)