อนุภาคฮิกส์

ข่าวใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมา คงจะเป็นอย่างอื่นไปไม่ได้นอกจากความคืบหน้าในการค้นหาอนุภาคฮิกส์ อันเป็นอนุภาคชิ้นสำคัญที่มาเติมส่วนที่หายไปในแบบจำลองทางฟิสิกส์ ซึ่งอธิบายสมบัติของอนุภาค แรง และอันตรกิริยาต่างๆ ที่ก่อให้เกิดเอกภพ

แบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) เป็นแบบจำลองที่อธิบายถึงอนุภาคมูลฐานต่างๆ อันก่อให้เกิดสสาร และทำอันตรกิริยาผ่านแรงชนิดต่างๆ ในปี 1964 ปีเตอร์ ฮิกส์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ 6 คน จาก 3 คณะ ที่เสนอทฤษฎีเพื่ออธิบายกลไก ซึ่งทำให้อนุภาคบางชนิดมีมวล พวกเขาทำนายว่าจะต้องมีอนุภาคชนิดหนึ่ง ปัจจุบันเรียกว่าอนุภาคฮิกส์ (Higgs particle หรือ Higgs Boson) เป็นตัวส่งผ่านแรงภายใต้สนามฮิกส์ (Higgs Field) ให้เกิดมวลในอนุภาคต่างๆ

หลายทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์พยายามค้นหาอนุภาคฮิกส์จากการชนกันของโปรตอนด้วยความเร็วสูงมากๆ ซึ่งทำให้เกิดอนุภาคอีกหลายชนิด อนุภาคเหล่านั้นจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว แล้วปลดปล่อยพลังงานซึ่งบ่งบอกถึงมวล แบบจำลองทางทฤษฎีบอกเราว่าการสลายตัวของอนุภาคฮิกส์เป็นไปได้หลายทาง เช่น ก่อให้เกิดโฟตอนพลังงานสูง 2 โฟตอน ปัญหาคือมีกระบวนการอื่นอีก ที่ทำให้เกิดโฟตอนพลังงานสูง 2 โฟตอนได้เช่นเดียวกันแล้วเราจะแยกแยะได้อย่างไรว่าโฟตอนที่เกิดขึ้นนี้มาจากการสลายตัวของอนุภาคฮิกส์?

วิธีที่นักฟิสิกส์ใช้คือการทดลองหลายๆ ครั้ง แล้ววิเคราะห์ผลทางสถิติ จอห์น ทิมเมอร์ นักเขียนที่ arstechnica.com อธิบายเปรียบเทียบการค้นหาอนุภาคฮิกส์กับการทอดลูกเต๋า หากเรามีลูกเต๋า 60 ลูก เกือบทั้งหมดเป็นลูกเต๋าปกติ เราสงสัยว่าในนั้นอาจมีลูกหนึ่งที่ผิดปกติ โดยทุกหน้าของลูกเต๋าเป็นเลข 5 แต่ปัญหาคือเราไม่สามารถมองเห็นหน้าของลูกเต๋าก่อนจะทอดได้(เช่นเดียวกับการที่มองไม่เห็นอนุภาคฮิกส์ได้โดยตรง) วิธีที่จะทำให้เราแน่ใจว่ามีลูกเต๋าผิดปกติอย่างที่ว่าอยู่จริงหรือไม่ คือเก็บข้อมูลจากการทอดลูกเต๋าหลายๆ ครั้ง

หากลูกเต๋าทุกลูกปกติ การทอดลูกเต๋าทั้ง 60 ลูก จำนวนหลายครั้ง จะออกหน้า 16 อย่างละเท่าๆ กัน หรือใกล้เคียงกันมาก มีการเบี่ยงเบนน้อย แต่หากมีลูกเต๋าผิดปกติ ซึ่งมีเลข 5 ทุกหน้า ปนอยู่ในนั้นอยู่จริง ข้อมูลที่เก็บได้จะแสดงเลข 5 มากผิดปกติ ซึ่งเบี่ยงเบนไปจากสัดส่วนที่เราคาดหมาย

นักฟิสิกส์จึงต้องทำการทดลองหลายครั้ง เพื่อให้ผลการวัดมีความน่าเชื่อถือนักฟิสิกส์อนุภาคได้กำหนดไว้ว่าการประกาศการค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ จะกระทำได้ก็ต่อเมื่อระดับความเชื่อถือของผลการวัดสูงมากพอ คือเบี่ยงเบนจากที่คาดไว้มากถึง 5 ซิกมา (ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานทางสถิติ)

 

แอลเอชซี (Large Hadron Collider : LHC) เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีโครงสร้างเป็นอุโมงค์วงแหวน เส้นรอบวง 27 กิโลเมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 8.5 กิโลเมตรตั้งอยู่ใต้ดินลึก 50-175 เมตร บริเวณพรมแดนระหว่างฝรั่งเศสกับสวิตเซอร์แลนด์ สนับสนุนโดยองค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป หรือเซิร์น (European Organization for Nuclear Research : CERN)

หนึ่งในภารกิจอันหลากหลายของแอลเอชซี คือการค้นหาอนุภาคฮิกส์โดยปล่อยให้ลำของโปรตอน 2 ลำ เคลื่อนที่ไปในทิศตรงข้ามกัน ภายในท่อขนาดประมาณแท่งดินสอ โดยปรับสภาพให้มีอุณหภูมิเพียง 1.9 เคลวิน ด้วยฮีเลียมเหลว แม่เหล็กไฟฟ้าที่วางอยู่ตามแนวท่อ จะเป็นตัวปรับและเร่งให้โปรตอนหลายล้านโปรตอนมีความเร็วสูงขึ้นจนใกล้ความเร็วแสง จากนั้นบีบให้ลำโปรตอนพุ่งเข้าหากันภายในท่อขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์ โปรตอนหลายคู่จะชนกัน ก่อให้เกิดอนุภาค และปลดปล่อยพลังงานออกมาให้ตรวจวัดได้

แอลเอชซีติดตั้งเครื่องตรวจหาการชนกันอยู่หลายตัว แอตลาส (ATLAS : A Toroidal LHC Apparatus) และซีเอ็มเอส (CMS : Compact Muon Solenoid) เป็นเครื่องขนาดใหญ่ที่ถูกใช้ในการค้นหาอนุภาคฮิกส์ ตั้งอยู่คนละฟากของวงแหวน ทำงานเป็นเอกเทศ เพื่อที่จะสามารถยืนยันผลซึ่งกันและกันได้ โดยปราศจากความลำเอียง

ปีที่แล้วความเชื่อมั่นทางสถิติของผลการทดลองที่แอลเอชซียังไม่มากพอ ต่อมาในปีนี้ข้อมูลที่สะสมมากขึ้น ทำให้พบค่าเบี่ยงเบนที่เพิ่มสูงขึ้น มากพอที่จะประกาศการค้นพบอนุภาคใหม่ ซึ่งมีมวลอยู่ราว 125-126 GeV โดยนักฟิสิกส์มีความเห็นว่าเป็นได้สูงมากที่อนุภาคนี้จะเป็นอนุภาคฮิกส์

แม้ว่าอนุภาคที่ค้นพบใหม่นี้ จะทำตัวเหมือนอนุภาคฮิกส์ตามแบบจำลอง แต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่มั่นใจพอที่จะชี้ชัดว่ามันคืออนุภาคฮิกส์ที่พวกเขาตามหามานานหลายทศวรรษ ต้องมีการศึกษาสมบัติทางฟิสิกส์ของอนุภาคดังกล่าวให้ได้มากกว่านี้ คาดว่าน่าจะได้ข้อสรุปภายในสิ้นปี ก่อนที่เครื่องแอลเอชซีจะหยุดทำงานนาน 2 ปี เพื่อปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ปรากฏการณ์ท้องฟ้า (8-15 ก.ค.)

ดาวพุธ ดาวอังคาร และดาวเสาร์ อยู่บนท้องฟ้าเวลาหัวค่ำ สัปดาห์นี้เป็นช่วงสุดท้ายที่จะมีโอกาสเห็นดาวพุธอยู่เหนือขอบฟ้าเวลานี้ เนื่องจากดาวพุธเคลื่อนเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นทุกวัน มองสูงขึ้นไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ จะเห็นดาวอังคารและดาวเสาร์ในกลุ่มดาวหญิงสาว มีดาวรวงข้าวซึ่งเป็นดาวฤกษ์สว่างในกลุ่มดาวนี้อยู่ใกล้ดาวเสาร์ ดาวอังคารเคลื่อนที่เร็วกว่าดาวเสาร์ หากสังเกตทุกวัน จะพบว่าดาวอังคารเคลื่อนเข้าใกล้ดาวเสาร์มากขึ้น

ดาวศุกร์กับดาวพฤหัสบดีอยู่บนท้องฟ้าเวลาเช้ามืด เห็นได้ทางทิศตะวันออกบริเวณกลุ่มดาววัว ไม่ไกลจากกระจุกดาวลูกไก่มากนัก วันที่ 10 ก.ค. ดาวศุกร์จะเข้าใกล้ดาวอัลเดบารัน ซึ่งเป็นดาวฤกษ์สว่างในกลุ่มดาวนี้ที่ระยะห่าง 0.9 องศา

สัปดาห์นี้เป็นข้างแรม ดวงจันทร์อยู่บนท้องฟ้าเวลาเช้ามืด สว่างครึ่งดวงในวันที่ 11 ก.ค. จากนั้นจะเห็นจันทร์เสี้ยวอยู่ใกล้ดาวศุกร์และดาวพฤหัสบดีในเช้ามืดวันอาทิตย์ที่ 15 ก.ค. โดยดวงจันทร์อยู่ห่างดาวพฤหัสบดีเพียง 2 องศา ห่างดาวศุกร์ 7 องศา

เช้ามืดวันเสาร์ที่ 14 ก.ค. สถานีอวกาศนานาชาติจะโคจรผ่านเหนือท้องฟ้าประเทศไทย ปรากฏเป็นเหมือนดาวสว่างเคลื่อนที่ข้ามท้องฟ้า กรุงเทพมหานคร และบริเวณใกล้เคียงเริ่มเห็นสถานีอวกาศขณะออกจากเงามืดของโลกเหนือขอบฟ้าทิศตะวันตกเฉียงใต้ในเวลา 04.51 น. สถานีอวกาศจะเคลื่อนสูงขึ้น ผ่านเหนือศีรษะในอีก 1 นาทีถัดมา จากนั้นเคลื่อนต่ำลง หายลับไปใกล้ขอบฟ้าทิศตะวันออกเฉียงเหนือในเวลา 04.56 น.