“ฮิกส์” อนุภาคพระเจ้า


เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการค้นพบทางฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่มาก ถึงขั้นกล่าวได้ว่าเทียบได้กับการประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ หรือเมื่อครั้งที่โคเปอร์นิคัสประกาศว่าโลกเราไม่ได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาลเลยก็ว่าได้ แอดมินแปลกใจเหมือนกันที่ข่าวนี้ไม่ค่อยดังเท่าไหร่เลยและมีเพียงคนบางกลุ่มเท่านั้นที่ติดตามทั้งที่มันเป็นอะไรที่น่าทึ่งมากทีเดียว นั่นคือ ประกาศการค้นพบอนุภาคฮิกส์ หรือ ที่เรียกกันว่า “อนุภาคพระเจ้า” เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 
 
 
แอดมินชั่งใจว่าจะเขียนเกี่ยวกันฮิกส์หรือไม่เขียนดี เพราะส่วนตัวไม่ได้มีความรู้ลึกซึ้งมากเท่าไหร่เกี่ยวกับเรื่องนี้ และจากการค้นข้อมูลก็มีศัพท์ยาก ๆ สมการยาก ๆ เยอะ ไม่ค่อยเข้าใจและไม่แน่ใจว่าจะสามารถเอามาเรียบเรียงให้เข้าใจง่าย ๆ ได้หรือเปล่า แต่ก็ลองดูแล้วกัน… จะพยายามเขียนให้ง่ายที่สุด

 

ฮิกส์คืออะไร ?

อนุภาคฮิกส์ (Higgs particle) หรือ ฮิกส์โบซอน (Higgs Boson) คือ อนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่งซึ่งถูกทำนายไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน จัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคโบซอน มันถูกตั้งชื่อตาม ปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ซึ่งเป็นผู้เสนอทฤษฎีไว้ในปี ค.ศ.1964 (เมื่อ 48 ปีที่แล้ว) ว่ามีอนุภาคชนิดใหม่อยู่ในธรรมชาติ และหากเราหามันพบและสามารถยืนยันได้ว่ามันมีตัวตนอยู่จริง เราจะสามารถไขปริศนาที่ว่า อนุภาคมูลฐานต่าง ๆ มีมวลได้อย่างไร และเหตุใดจึงมีมวลต่างกันมาก ในขณะที่อนุภาคมูลฐานบางชนิดไม่มีมวลเลย

 

อนุภาคมูลฐานคืออะไร ?

อนุภาคมูลฐาน คือ สิ่งที่เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร ซึ่งจะไม่สามารถแยกย่อยได้อีกแล้ว แต่ก่อนเราเคยเชื่อว่าอะตอมเล็กที่สุด แต่ต่อมาก็พบว่าในอะตอมนั้นมี โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งเราก็เชื่อว่าอนุภาคทั้งสามชนิดนี้เล็กที่สุดแล้ว แต่ต่อมาก็พบว่าโปรตอนยังแบ่งย่อยลงไปได้อีกคือ ควาร์ก นอกจากนี้ยังมีการค้นพบอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ อีก เช่น นิวตริโน มิวออน เลปตอน เป็นต้น ฮิกส์ก็เป็นอนุภาคมูลฐานด้วยเช่นกัน

 

ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงคิดว่ามีอนุภาคฮิกส์ ? 

เรามีแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาค ซึ่งเป็นเหมือนรูปแบบดีเอ็นเอของทุกสิ่งทุกอย่างที่ประกอบขึ้นเป็นเราและเอกภพ ในแบบจำลองมาตรฐานเรามีอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร 12 ชนิด (เป็น ควาร์ก 6 ชนิด และ เลปตอน 6 ชนิด ซึ่งจะประกอบกันเป็นโปตอนและนิวตรอน ซึ่งจะเป็นนิวเคลียสของอะตอม) และมีอนุภาคมูลฐานที่เป็นสื่อของแรงพื้นฐานในธรรมชาติ 4 ชนิด คือ

กลูออน เป็นแรงยึดเหนี่ยวควาร์กให้เกิดเป็นโปรตอนและนิวตรอน

โฟตอน เป็นสื่อของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้อิเล็กตรอนวิ่งรอบนิวเคลียส

w และ Z โบซอน เป็นสื่อของแรงที่เกี่ยวข้องกับการเกิดกัมมันตภาพรังสี

แต่สิ่งเหล่านี้ยังไม่เพียงพอที่จะอธิบายเหตุผลต่าง ๆ ทั้งหมด คือเราไม่สามารถหาเหตุผลได้ว่าอนุภาคมูลฐานมีมวลได้อย่างไร จึงคาดกันว่าน่าจะมีอนุภาคอีกอย่างหนึ่ง (ซึ่งก็คือฮิกส์) อยู่เบื้องหลังอนุภาคเหล่านี้

 

 มวล คืออะไร ?

มวล หลายคนอาจจะคิดว่ามันหมายถึงน้ำหนัก(ซึ่งที่จริงก็ทำนองนั้นแหละ) แต่ความหมายจริง ๆ ของมันคือ สมบัติที่ต้านทานต่อการเคลื่อนที่หรือความเร็ว อนุภาคที่มีมวลมากก็เคลื่อนที่ได้ช้ากว่าอนุภาคที่มีมวลน้อย อนุภาคที่ไม่มีมวลจะสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วสูงสุดที่ “ความเร็วแสง”

 

ทำไมฮิกส์ถึงได้ชื่อว่าเป็น “อนุภาคพระเจ้า” ?

เนื่องจากเชื่อกันว่าฮิกส์ คือเหตุผลที่ทำให้อนุภาคมูลฐานต่าง ๆ มีมวล มันจึงถูกเรียกว่าอนุภาคพระเจ้า แต่ทำไมล่ะ? ก็เพราะว่าถ้าอนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ไม่มีมวลเลย มันก็จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงตลอดเวลา และไม่มีวันจับตัวกันเป็นอะตอมได้ เมื่ออะตอมไม่อาจเกิดขึ้นได้ เอกภพก็จะเต็มไปด้วยอนุภาคมูลฐานที่วิ่งไปวิ่งมาด้วยความเร็วแสง ไม่มีอะไรเกิดขึ้นมาได้เลย รวมถึงตัวเราด้วย

 

แล้วอนุภาคฮิกส์ทำให้อนุภาคอื่น ๆ มีมวลได้อย่างไร ?

กลไกที่ให้มวลแก่อนุภาค คือ “สนาม” (สนาม (Field) ในทางฟิสิกส์หมายถึงบริเวณที่มีแรงกระทำต่อวัตถุ เรามองไม่เห็นสนาม เห็นแต่ผลจากแรงของสนามที่กระทำต่อวัตถุ เช่น สนามแม่เหล็ก สนามความโน้มถ่วง เป็นต้น) สำหรับฮิกส์เราเรียก “สนามฮิกส์” ถ้าจะเปรียบให้ง่าย ๆ ก็เหมือนสนามฮิกส์เป็นสระน้ำ ถ้าเราเดินในน้ำ น้ำก็จะมีแรงต้านทานทำให้เราเคลื่อนที่ช้าลง และก็ยังขึ้นอยู่กับรูปร่างของเราด้วย คนที่ผอมก็จะเคลื่อนที่ผ่านสนามนั้นได้เร็วกว่าคนที่อ้วน ดังนี้เป็นต้น ก็จะอธิบายได้ว่าทำไมอนุภาคมูลฐานจึงมีมวล และทำไมมันจึงมีมวลต่างกัน

 

อนุภาคฮิกส์ไปเกี่ยวข้องกับสนามอะไรนั่นได้ยังไง ?

ตามทฤษฎีควอนตัม ถ้ามีสนามก็จะมีอนุภาคที่สัมพันธ์กับสนาม ซึ่งเป็นสื่อของแรงจากสนามที่กระทำต่ออนุภาค เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ก็มีอนุภาคโฟตอนเป็นสื่อ สนามฮิกส์ ก็มีอนุภาคฮิกส์เป็นสื่อ กล่าวได้ว่า หากเราคาดว่ามีสนามที่ทำให้เกิดมวล เราก็คาดได้ว่ามีอนุภาคบางอย่างที่เกี่ยวกับมวล

 

เค้าทำยังไงถึงค้นพบอนุภาคฮิกส์ ?

อนุภาคฮิกส์ถูกเชื่อว่ามีอยู่มาเกือบ 50 ปีแล้ว แต่ยังจับตัวมันไม่ได้ซักที จนเมื่อเร็ว ๆ นี้เซิร์นได้ค้นพบมัน (CERN : องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป) โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค (LHC) ซึ่งสามารถเร่งโปรตอนให้มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง ทำให้มันชนกัน และตรวจจับสิ่งที่ได้โดยเครื่องตรวจวัดอนุภาค ซึ่งที่จริงมีทั้งหมด 6 เครื่อง แต่เครื่องตรวจวัดที่ตรวจพบฮิกส์ มีชื่อว่า CMS และ ATLAS

 

ทำไมฮิกส์ถึงตรวจจับยากเย็นนักและใช้เวลานานเกือบ 50 ปี ?

เพราะฮิกส์มีความพิเศษ มันไม่ใช่อนุภาคที่เราจับต้องได้ และไม่อาจเห็นฮิกส์เหมือนอนุภาคอื่น ๆ กลไกของฮิกส์อยู่ลึกลงไปในสายใยของเอกภพ มันไม่ได้ให้มวลแก่โปรตอนหรืออะตอมใด ๆ โดยตรง แต่ให้มวลแก่อนุภาคมูลฐานอย่างควาร์กอีกทีหนึ่ง และตอนที่มีคนเสนอทฤษฎีนั้นมันแทบจะเป็นแนวคิดที่ไม่มีใครเชื่อเลย แต่สิ่งที่กระตุ้นให้มีการค้นหาต่อมาก็คือ แนวคิดนี้นำไปสู่ความเข้าใจเรื่องแรงพื้นฐานในธรรมชาติ และทำนายการมีอยู่ของแรงและอนุภาคที่เราค้นพบแล้วได้อย่างแม่นยำ แต่ตอนนั้นเราก็ยังไม่มีเครื่องมือช่วยค้นหามัน จนกระทั่งเรามีเครื่อง LHC เมื่อสามปีก่อนจึงสะดวกขึ้น เพราะการจะดึงอนุภาคฮิกส์ออกมาจากสนามฮิกส์สักตัวนั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก และอันที่จริงไม่มีใครรู้แน่ชัดว่ามันมีมวลเท่าไร จึงต้องสุ่มหามันในทุกช่วงพลังงานที่น่าจะเป็นไปได้

 

พบฮิกส์ทั้งหมดกี่ตัว ?

ประมาณ 110 ตัว จากการชนกันทั้งหมดของโปรตอน “700 ล้านล้านเหตุการณ์”

ตัวเลขนี้แสดงให้เห็นว่ามันเกิดขึ้นยากมาก แต่สิ่งที่แอดมินทึ่งยิ่งกว่านั้นคือความพยายามของนักวิจัย เพราะพวกเขาต้องศึกษาข้อมูลทั้งหมด 10,000 เทระไบต์ (ล้านล้านไบต์) เพื่อค้นให้พบ 100 เหตุการณ์ที่บ่งชี้ถึงฮิกส์

 

แน่ใจแค่ไหนว่าเป็นฮิกส์ ?

กลุ่มผู้ค้นพบค่อนข้างมั่นใจว่าสิ่งที่พบนั้นคืออนุภาคฮิกส์อย่างแน่นอน แต่ถึงกระนั้นพวกเขาก็ยังคงเดินหน้าตรวจสอบกันอยู่ว่าใช่มันจริง ๆ หรือเปล่า ด้วยการตรวจสอบคุณสมบัติเฉพาะที่จะบ่งชี้ว่าเป็นฮิกส์จริง ซึ่งคุณสมบัตินั้นก็คือ “สปิน(spin)” ของฮิกส์นั้นเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวที่ไม่มีค่าสปิน หากตรวจสอบได้ว่าอนุภาคที่ค้นพบนี้มีสปินเป็นศูนย์ จึงจะมั่นใจ 100% ว่ามันคือฮิกส์

(สปิน คือสมบัติพื้นฐานอย่างหนึ่งของอนุภาคมูลฐานตามทฤษฎีควอนตัม มีค่าเป็นไปได้ทั้งเลขจำนวนเต็มและเศษส่วน)

 

ค้นพบฮิกส์แล้วดียังไง ?

เมื่อก่อนเราอธิบายเรื่องมวลไม่ได้ แต่พอมีทฤษฎีฮิกส์ ก็สามารถใช้ตอบปัญหาเหล่านั้นได้ และตอนนี้เราค้นพบมันแล้ว จึงเป็นการยืนยันว่าสิ่งที่เราเชื่อนั้นถูกต้อง แม้การค้นพบนี้จะทำให้อนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐานถูกค้นพบหมดแล้ว และเหมือนการเดินมาจนสุดขอบเขตของแผนที่ แต่มันก็เป็นเหมือนกับการเปิดประตูสู่ดินแดนใหม่ของการเข้าใจธรรมชาติอย่างแท้จริง และฮิกส์จะเป็นป้ายบอกทางสำคัญของดินแดนใหม่ที่ยังมีอะไรให้ค้นพบอีกมาก

 

ทฤษฎีอะไรบ้างล่ะที่การค้นพบฮิกส์ทำให้มันได้รับผลกระทบไปด้วย ?

อันนี้น่าสนใจมากจริง ๆ และเป็นแรงบันดาลใจที่แอดมินเขียนบทความนี้ (ทั้งที่ตอนแรกกะว่าจะไม่เขียนเกี่ยวกับฮิกส์) นั่นคือทฤษฎีหนึ่งที่เรียกว่า “ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด (Supersymmetry)” ถ้าใครเคยอ่านโดราเอมอน คงจะพอจำได้ว่า ฟุจิโกะ ฟุจิโอะ ชอบเขียนถึงการที่โลกเราหรือตัวเรานั้นมีคู่แฝดที่เหมือนกันเป๊ะ แต่กลับซ้ายเป็นขวา (หรือมีทุกอย่างกลับตาลปัด) และยังมีความเชื่อจากที่อื่น ๆ อีกว่าทุกอย่างนั้นมีฝาแฝด แอดมินสงสัยเสมอเลยว่าเขาเอาความคิดนั้นมาจากไหน แต่ตอนนี้พอจะทราบแล้วว่ามันมีที่มาที่ไปนะ

ปัญหาของฮิกส์คือมันไม่มีสปิน ดังนั้นสมการที่คำนวณหามวลของมันจะแปลก ๆ และได้ค่ามวลที่สูงมากผิดปกติ ซึ่งก็ดูไม่ถูกต้องและไม่สมดุล มันจะต้องมีกลไกบางอย่างที่ทำให้อนุภาคฮิกส์สมดุล ดังนั้น ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดก็อาจจะถูกต้องด้วยเช่นกัน เพราะตามทฤษฎีกล่าวว่า อนุภาคทุกตัวมีคู่อนุภาคอีกชุดหนึ่งเป็นเสมือนกระจกสะท้อนของอนุภาคมูลฐานทุกตัวที่เรารู้จัก  นี่เองที่อาจจะเป็นสิ่งสร้างสมดุลให้ฮิกส์ ความแปลกประหลาดของฮิกส์จึงจะเป็นไปได้้ และถ้าทฤษฎีนี้เป็นจริงขึ้นมาจริง ๆ ล่ะก็ มันจะคล้ายกับการพบเอกภพใหม่ซึ่งเป็นกระจกเงาของเอกภพของเรานั่นเอง

 

ไม่ว่าจะอย่างไร วิทยาศาสตร์ก็เป็นเรื่องที่น่าหลงใหลจริง ๆ

 

 
 
แอดมิน
 
http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson

http://www.theregister.co.uk/2012/11/28/higgs_boson_confident
 
http://www.newscientist.com/article/dn22503-higgs-boson-continues-to-be-maddeningly-wellbehaved.html

comments

You can leave a response, or trackback from your own site.

ถ้าไม่อยากเปิดเผยตัวตน เม้นท์ตรงนี้ก็ได้จ้า