การศึกษาอนุภาคมูลฐาน

Democritus นักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่แห่งเมือง Abdera ในประเทศกรีซ เมื่อ 2460 ก่อนได้เคยพยายามทำอัตวินิบาตกรรมด้วยการอดอาหาร แต่แผนทำลายชีวิตของเขาต้องประสบความล้มเหลว เมื่อเขาได้กลิ่นขนมปังร้อน ๆ ทำให้รู้สึกหิวและเกิดความหวังที่จะมีชีวิต อยู่ต่อไป เขาได้ตั้งคำถามที่สำคัญมากกว่ากลิ่นขนมปัง โชยมาสู่จมูกเขาได้อย่างไร

หลังจากที่ได้นึกคิดหาคำตอบเป็นเวลานาน Democritus ก็ได้ตั้งสมมติฐาน ขึ้นมาว่าสสารทุกชนิดในจักรวาล ประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดที่เรียกว่าอะตอม (atom) อันเป็นคำในภาษากรีกที่แปลว่าแยกไม่ได้ และอะตอมของขนมปังนี้เองที่ได้หลุดหายไปในอากาศ โชยมาสู่จมูกเขา

อันความคิดที่ว่า มนุษย์เราไม่สามารถแบ่งแยกอะตอมได้อีกแล้ว ได้เป็นความรู้ ที่ผู้คนพากันเชื่อมั่นและถือมั่นเป็นเวลานานกว่า 2,000 ปี

จนกระทั่ง E.Rutherford ได้ทดลองยิงอนุภาคอัลฟา (alpha) ผ่านแผ่นทองคำเปลวบาง ๆ แล้วได้ข้อสรุปว่า อะตอมประกอบด้วยส่วนที่เป็นแกนกลาง ซึ่งเรียกว่านิวเคลียส (nucleus) และอิเล็กตรอน (electron) ที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียส โลกจะรู้ว่าอะตอมนั้นจริงๆ แล้วแบ่งแยกได้ !

เมื่อวิทยาศาสตร์ได้วิวัฒนาการขึ้นเราก็มีความรู้เพิ่มขึ้น ๆ ว่า นิวเคลียสของอะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กลงไปอีก คือโปรตอน(proton) ที่มีประจุบวกและนิวตรอน(neutron) ที่เป็นกลาง คือไม่มีประจุบวกหรือลบใด ๆ 

หลังจากที่ได้มีการพบนิวตรอนแล้วเป็นเวลานานร่วม 40 ปีที่คนส่วนมากคิดว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาค ที่เล็กที่สุดของ สสาร แต่ในปี พ.ส. 2503 นั่นเอง J.Friedman , H. Kendall และ R. Taylor ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค (accelerator) ยิงอิเล็กตรอนพลังงานสูงให้พุ่งชนโปรตอน ผลการทดลองของเขาทั้งสาม ได้แสดงให้เรารู้ลึกล่วงไปอีกระดับหนึ่งว่า โปรตอนนั้นยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าลงไปอีก คือ ควาร์ก(quark)

ปัจจุบันนักฟิสิกส์ได้พบว่า ควาร์กในธรรมชาติมี 6 ชนิด คือ ชนิด up, down, strange, charm, top และ bottom เมื่อควาร์ก 6 ชนิด นี้มารวมกัน เช่นเมื่อชนิด top 2 ตัว กับชนิด down 1 ตัวรวมกัน เราจะได้โปรตอนและหากเรามีชนิด top 1 ตัว และชนิด down 2 ตัว เราก็จะได้อนุภาคนิวตรอน อนุภาคตัวอื่น ๆ ก็ได้จากการรวมควาร์กรูปแบบต่าง ๆ กัน

ควาร์กเป็นอนุภาคทีมีประจุ แต่การที่มันอยู่รวมกันได้ เพราะมีแรงนิวเคลียร์ชนิดรุนแรงกระทำมัน แรงชนิดนี้แตกต่างจากแรงชนิดอื่น ๆ ในประเด็นที่ว่าเมื่อควาร์กอยู่ใกล้กันแรงดึงดูด จะมากมหาศาลและนี่ก็คือ เหตุผลว่า เหตุใดตราบเท่าทุกวันนี้นักฟิสิกส์ จึงไม่สามารถแยกควาร์กออกมาให้เราเห็นเป็นอนุภาคอิสระได้

ดังนั้นตลอดระยะเวลา 37 ปีที่ผ่านมานักฟิสิกส์ จึงมีความเชื่ออย่างระมัดระวังว่า ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐาน (elementary particle) ที่เล็กที่สุดที่เราไม่มีวันแบ่งแยกมันได้อีกต่อไปแล้ว

ในแง่ของทฤษฎี นักฟิสิกส์ใช้ทฤษฎีที่ชื่อ Standard Model ในการอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ทางไฟฟ้าและทางนิวเคลียร์ทุกรูปแบบ แต่ทฤษฎีนี้ก็ยังมีสภาพที่ไม่สมบูรณ์ เพราะทฤษฎียังไม่สามารถตอบคำถามง่าย ๆ ที่ว่า เหตุใดโปรตอนจึงหนักกว่าอิเล็กตรอน และเหตุใดอนุภาคทั้งสอง ซึ่งมีขนาดแตกต่างกัน จึงมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน

ในความพยายามที่จะตอบคำถาม "พื้น ๆ" เช่นนี้ Standard Model ได้ตั้งสมมติฐานว่า มีอนุภาคอีกตัวหนึ่งชื่อ Higgs อนุภาคนี้ปัจจุบันยังไม่มีใครเคยเห็น แต่เมื่อครั้งจักรวาลอุบัติเมื่อ 15,000 ล้านปีก่อนโน้น อนุภาคนี้มีมากมาย Higgs เป็นอนุภาคที่ให้กำเนิด และเป็นตัวกำหนดมวลของอนุภาคต่าง ๆ ทุกชนิดในจักรวาล

แต่เมื่อยังไม่มีใครเคยเห็น Higgs ดังนั้นความศรัทธาและเชื่อมั่นในทฤษฎี Standard Model จึงยังไม่ถึง 100% เต็ม ในการค้นหาอนุภาค Higgs นักฟิสิกส์ใช้เครื่องเร่งอนุภาค ที่มีชื่อเป็นทางการว่า Large Electron Position Collider(LEP) อุปกรณ์นี้มีลักษณะเป็นท่อกลมรูปร่างคล้ายโดนัท มีเส้นรอบวงยาว 25 กิโลเมตร มีเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อยาว 4 เมตร มีน้ำหนัก 80,000 ตัน มีสายไฟยาว 6,000 กิโลเมตร และ(เหนือสิ่งอื่นใด) มีราคา 2.5 หมื่นล้านบาท เครื่องเร่งอนุภาค LEP จึงเป็นอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดมโหฬาร ที่สุดของโลกเพราะขณะที่อนุภาคกำลังถูกเร่งรังสีต่าง ๆ จะถูก แผ่ออกมามากมาย ดังนั้นตัวอุปกรณ์ทั้งชุด ถูกฝังอยู่ใต้ดินที่ระดับลึก 100 เมตร ณ บริเวณชานเมือง Geneva ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์

นักฟิสิกส์ 4,000 คน จากทั่วโลกใช้ LEP เร่งอนุภาคอิเล็กตรอนและโพสิตรอน (ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่าอิเล็กตรอน แต่มีประจุชนิดตรงกันข้าม) กระทั่งมีความเร็ว 99.999996% ของความเร็วแสง จากนั้นก็บังคับให้อนุภาคทั้งสองชนิดนี้พุ่งชนกัน

เวลาอิเล็กตรอนและโพสิตรอนพลังงานสูงปะทะกัน พลังงานบางส่วนจะถูกเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคตัวใหม่ตามสมการ E = mc² ของไอน์สไตน์ ดังนั้นในการชนกัน ระหว่างอนุภาคทั้งสองจะมีอนุภาคเกิดใหม่มากมาย เปรียบเสมือนการชนรถโตโยต้า 2 คัน แล้วมีรถฮอนด้า นิสสัน จักรยานยนต์ หรือแม้แต่รถไฟ พุ่งกระเจิดกระเจิงออกมา

นักฟิสิกส์คาดหวังว่า LEP ที่มีขนาดใหญ่ราวภูเขา เครื่องนี้จะสามารถสร้างอนุภาค Higgs ได้และถึงแม้อายุขัยของ Higgs จะน้อยนิดเพียง 0.000,000,000,000,012 วินาที ก็ตาม แต่นักฟิสิกส์ยุคปัจจุบันก็สามารถเห็นมันได้ ความยุ่งยากในการหา Higgs จึงเปรียบเสมือนกับการค้นหา เพื่อนที่เรารู้จักหนึ่งคนและเพื่อนคนนั้นอายุสั้นมาก ในท่ามกลางคน 1,000 ล้านคน

ในการทดลองยิงอิเล็กตรอนด้วยโพสิตรอน ในช่วงเวลาสองปีที่ผ่านมา ได้มีเหตุการณ์ประหลาด ๆ ที่นักฟิสิกส์ไม่คาดฝันเกิดขึ้น 18 ครั้ง ซึ่ง Standard Model อธิบายไม่ได้เลย เหตุการณ์ประหลาดที่ว่านี้อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคเครื่องหนึ่งเห็น แต่อีกสามเครื่องที่ติดตั้งอยู่ใกล้กันไม่เห็น

คำตอบที่เป็นไปได้คืออุปกรณ์หนึ่ง หรือสามเครื่องทำงานบกพร่อง หรือ Standard Model บกพร่อง

ตั้งแต่เริ่มการทดลองในปี พ.ศ. 2538 เป็นต้นมา นักฟิสิกส์ได้เคยเห็นเหตุการณ์ประหลาดนี้ 2 – 3 ครั้งแล้ว แต่คนหลายคนคิดว่าสิ่งที่เห็นเป็นเรื่องฟลุ้ก เป็นความแปรปรวนทางสถิติของเหตุการณ์ เป็นผลสืบเนื่องจากการทำงานบกพร่องของเครื่องมือ เป็นความสะเพร่าของนักทดลอง ฯลฯ ทุกคนจึงคาดหวังว่า หากได้มีการทดลองที่พลังงานสูงขึ้นไปอีก เหตุการณ์ที่คิดว่า "มี" นั้นจะ "ไม่มี"

แต่เมื่อเพิ่มพลังงานของอิเล็กตรอนเหตุการณ์ประหลาดก็มีให้เห็นเพิ่มขึ้น และเมื่อข้อมูล การทดลองขาดทฤษฎีสนับสนุน นักทดลองจึงคิดว่า ทฤษฎี Standard Model จะต้องมีการรื้อร่างใหม่ ส่วนนักทฤษฎีก็ยังไม่ยอมรับผลการทดลองเพราะอุปกรณ์ตรวจจับอีก 3 เครื่องของ LEP รายงานว่าไม่เห็นอะไรเลย

แล้วเราจะหาทางออกกันได้ยังไงครับ

หนทางเดียวที่จะยุติความขัดแย้งนี้ คือ นักฟิสิกส์ต้องทดลองหาข้อมูลเพิ่มเติมต่อไป ดังนั้นในเดือนพฤษภาคมนี้ LEP จะเดินเครื่องอีก เหตุการณ์ 18 เหตุการณ์นั้นอาจจะเป็นก้อนน้ำแข็งเล็ก ๆ ที่จะละลายหายไปในทะเล หรือเป็นปลายยอดของน้ำแข็งก้อนใหญ่ที่ได้เคยจมเรือ Titanic มาแล้วใครจะรู้

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)