เช็ครูปร่าง “อิเล็กตรอน” พิสูจน์ทำไมจักรวาลมีแต่ “สสาร”

เมื่อ 100 ปีก่อน เราได้รู้จักโครงสร้างอะตอมที่มี “นิวเคลียส” เป็นของแข็งอยู่ตรงกลาง และมี “อิเล็กตรอน” หมุนรอบเหมือนระบบดาวเคราะห์ มาถึงวันนี้นักฟิสิกส์อยากรู้จักรูปร่างที่แท้จริงของอนุภาคที่วิ่งรอบอะตอม เพื่อช่วยพิสูจน์ทฤษฎีอนุภาคมูลฐานที่ยังไม่ได้รับการยืนยัน และอธิบายถึงการมีอยู่มากมายของ “สสาร”

ท่ามกลางการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญๆ ในศตวรรษที่ 20 อาทิ การเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) หรือการอธิบายโครงสร้างเกลียวคู่ดีเอ็นเอของ ฟรานซิส คริก (Francis Crick) และ เจมส์ วัตสัน (James Watson) แต่บีซีนิวส์บอกว่า ยังมีการทดลองของ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) เมื่อ 100 ก่อนที่ทำให้เราได้รู้จักโครงสร้างของอะตอมดีขึ้น

รัทเทอร์ฟอร์ดและทีมได้ระดมยิงแผ่นฟอยล์ทองคำบางๆ ด้วยอนุภาคอัลฟา ทำให้มีทั้งอนุภาคทะลุผ่านแผ่นฟอยล์ทองคำและบางอนุภาคกระดอนกลับ เขาจึงตระหนักว่ามวลของอะตอมไม่ควรกระจายอยู่ฟุ้งๆ แต่ควรจะอยู่ตรงใจกลางอะตอม และมีเพียงใจกลางที่เป็นของแข็งและหนาแน่นเท่านั้น ที่มีมวลมากพอให้เบี่ยงเบนพลังงานจากอนุภาคอัลฟาระหว่างการชนกัน และนิวเคลียสเหล่านั้นก็มีอิเล็กตรอนหมุนรอบเหมือนการโคจรของดาวเคราะห์

การศึกษารายละเอียดของอะตอมยังดำเนินมาอย่างต่อเนื่อง ล่าสุดทีมนักฟิสิกส์จากศูนย์เพื่อการศึกษาสสารเย็น (Centre for Cold Matter) มหาวิทยาลัยอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน (Imperial College London) ได้วัดรูปร่างของอิเล็กตรอนด้วยวิธีที่แม่นยำที่สุด โดยสามารถวัดความกลมของอิเล็กตรอนได้แม่นยำถึงระดับ 1 ในพันล้านล้านล้านล้านเซ็นติเมตร หรือ 0.00000 00000 00000 00000 00000 01 เซ็นติเมตร (ทศนิยม 27 ตำแหน่ง) ซึ่งไซน์เดลีเปรียบเทียบความแม่นยำดังกล่าวได้ว่า หากขยายอิเล็กตรอนให้โตเท่าระบบสุริยะ ทีมวิจัยยังคงวัดได้ว่าอิเล็กตรอนกลมจนถึงความละเอียดที่กว้างเท่ากับเส้นผมคนเรา

รายงานการค้นพบดังกล่าวได้ตีพิมพ์เผยแพร่ลงวารสารเนเจอร์ (Nature) ซึ่งตามความเห็นของบีบีซีนิวส์การค้นพบครั้งนี้สำคัญ เพราะอาจจะเป็นการพิสูจน์ว่า ทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคฟิสิกส์อย่างทฤษฎีซูเปอร์ซิมเมทรี (Supersymmetry) หรือทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดนั้นไม่เป็นจริง ซึ่งทฤษฎีนี้เป็นขอบข่ายงานที่นักฟิสิกส์พยายามจะอธิบายปรากฏการณ์ฟิสิกส์ภายใต้ “แบบจำลองมาตรฐาน” (Standard Model)

ทั้งนี้ แบบจำลองมาตรฐานนับเป็นแบบจำลองดีที่สุดในปัจจุบัน ที่จะอธิบายอันตรกริยาหรือการกระทำระหว่างอนุภาคมูลฐาน อนุภาคเล็กที่สุดที่เชื่อว่าไม่สามารถแบ่งต่อไปได้ แต่ขณะนี้แบบจำลองมาตรฐานยังไม่สมบูรณ์ เพราะยังอธิบายไม่ได้ว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไร และยังไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์อื่นๆ ที่พบในเอกภพด้วย จึงเกิดทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดนี้ขึ้น

แต่ในขณะที่แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่า อิเล็กตรอนควรมีรูปร่างกลมโดยสมบูรณ์ แต่ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดกลับทำนายว่า อิเล็กตรอนควรมีรูปร่างที่บิดเบี้ยวไปมากกว่าที่คาดการณ์ไว้ตามแบบจำลองมาตรฐาน โดยอนุภาคอิเล็กตรอนควรจะมีรูปร่างคล้ายไข่

ทางด้าน ดร.โจนี ฮัดสัน (Dr.Jony Hudson) หัวหน้าทีมวิจัยจากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนผู้ศึกษารูปร่างอิเล็กตรอนล่าสุดนี้ กล่าวว่า การศึกษาของเขาไม่ได้ปฏิเสธทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด เพียงแต่การพิสูจน์ของเขาไม่ได้รับรองทฤษฎีนี้เท่านั้น ซึ่งเขาคาดหวังว่าจะปรับปรุงการวัดให้แม่นยำขึ้น 4 เท่า ภายในเวลา 5 ปี เมื่อถึงเวลานั้นทีมวิจัยของเขาอาจจะแถลงชี้ขาดในขั้นสุดท้ายเกี่ยวกับทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดและทฤษฎีอื่นๆ ที่อธิบายฟิสิกส์ภายใต้แบบจำลองมาตรฐานได้

“เมื่อถึงเวลานั้นเราอาจจะอยู่ในฐานะที่จะพูดได้ว่า ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดนั้นถูกต้องเพราะเราได้เห็นว่าอิเล็กตรอนนั้นบิดเบี้ยว หรือทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดน่าจะผิดเพราะเราไม่เห็นว่าอิเล็กตรอนนั้นบิดเบี้ยว” ดร.ฮัดสันกล่าว

ทั้งนี้ บีบีซีนิวส์ระบุว่า การวัดรูปร่างอิเล็กตรอนของ ดร.ฮัดสันนั้นมีความแม่นยำกว่าการทดลองของคนอื่นๆ ที่ผ่านมา ซึ่งตัวเขาเองกล่าวว่า คนส่วนใหญ่จะคิดว่าอิเล็กตรอนนั้นกลมเหมือนบอลลูกเล็กๆ แต่ฟิสิกส์บางทฤษฎีคาดการณ์ว่าอิเล็กตรอนไม่น่าจะกลม ดังนั้น ทีมวิจัยของเขาจึงออกแบบการทดลองให้สามารถตรวจสอบรูปร่างของอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำมากที่สุด

นอกจากผลการทดลองจะมีผลกระทบต่อทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดแล้ว ไซน์เดลีระบุด้วยว่า การวัดรูปร่างของอิเล็กตรอนครั้งนี้มีความสำคัญต่อการศึกษาปฏิสสาร (antimatter) หรือสสารที่มีพฤติกรรมเหมือนสสารปกติ ยกเว้นว่าปฏิสสารนั้นมีประจุตรงข้ามกับสสาร

ตัวอย่างเช่นปฏิสสารของอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ คือ โพสิตรอน (positron) ที่มีประจุเป็นบวก ซึ่งการเข้าใจรูปร่างของอิเล็กตรอนนี้จะช่วยให้เราเข้าใจพฤติกรรมของโพสิตรอน และทำให้เราเข้าใจว่าสสารและปฏิสสารนั้นต่างกันอย่างไร

ตามกฎฟิสิกส์ที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันระบุว่า การระเบิดบิกแบง (Big Bang) เมื่อครั้งกำเนิดเอกภพได้สร้างปฏิสสารขึ้นมากเท่าๆ กับสสาร ถึงอย่างนั้นเราได้พบปฏิสสารเพียงน้อยนิดในช่วงเวลาสั้นๆ จากแหล่งกำเนิดอย่างรังสีคอสมิค หรือสารกัมมันตรังสีบางชนิดเท่านั้น นับแต่ พอล ดิแรก (Paul Dirac) นักฟิสิกส์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปี 1928 เสนอแนวคิดเกี่ยวกับปฏิสสารขึ้นมาเป็นครั้งแรก

ไซน์เดลีระบุอีกว่างานวิจัยจากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนครั้งนี้ยังมีเป้าหมายเพื่อตอบคำถามถึงการมีอยู่อันน้อยนิดของปฏิสสาร โดยทีมวิจัยพยายามค้นหาความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างพฤติกรรมสสารและปฏิสสาร ซึ่งตอนนี้ยังไม่มีใครเห็นความแตกต่างดังกล่าว

หากนักวิจัยพบว่าแท้จริงแล้วอิเล็กตรอนไม่กลม ก็จะเป็นข้อพิสูจน์ว่าสสารและปฏิสสารมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันไปมากกว่าที่นักฟิสิกส์เคยเข้าใจก่อนหน้านี้ และยังอธิบายได้ด้วยว่าปฏิสสารหายไปจากเอกภพแล้วทิ้งไว้เพียงสสารได้อย่างไร

“โลกของเราทั้งใบสร้างขึ้นจากสสารธรรมดาเกือบทั้งหมด โดยพบร่องรอยของปฏิสสารเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และนักดาราศาสตร์เองได้สำรวจออกไปถึงขอบจักรวาลที่มองเห็นได้ ทว่าพวกเขาก็ยังพบแต่สสาร ไม่พบแหล่งซ่อนเร้นของปฏิสสารแต่อย่างใด นักฟิสิกส์เพียงแต่ไม่ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นกับปฏิสสารทั้งหลาย แต่งานวิจัยนี้จะช่วยเรายืนยันหรือแม้แต่ปฏิเสธคำอธิบายบางอย่างที่น่าจะเป็นไปได้” ศ.เอ็ดเวิร์ด ฮินด์ (Prof.Edward Hinds) เป็นหัวหน้าศูนย์เพื่อการศึกษาสสารเย็นของอิมพีเรียลผู้ร่วมทีมวิจัยกับ ดร.ฮัดสันกล่าว

ไม่เพียงแค่นักวิจัยอังกฤษที่สนใจศึกษาปฏิสสาร องค์กรความร่วมมือวิจัยวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่อย่างเซิร์น (CERN) ยังให้ความสนใจในการศึกษาคู่ตรงข้ามของสสารนี้ด้วย โดยมีการทดลองเพื่อศึกษาปฏิสสารปริมาณน้อยๆ ภายในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (Large Hadron Collider: LHC) ที่อยู่ใต้ชายแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ โดยนักฟิสิกส์ทั้งหลายต่างคาดหวังที่จะเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในชั่วขณะหลังบิกแบง และยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีพื้นฐานทางฟิสิกส์อย่างทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ด้วย

การได้ข้อมูลว่าแท้จริงแล้วอิเล็กตรอนนั้นกลมหรือว่ามีรูปร่างคล้ายไข่กันแน่นั้น ยังมีความสำคัญในแง่การทดสอบทฤษฎีพื้นฐานต่างๆ ทั้งทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดและทฤษฎีฟิสิกส์อนุภาคอื่นๆ ที่เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซียังไม่ได้ทำการทดสอบ

ทั้งนี้ ดร.ฮัดสันและทีมวิจัยศึกษาอิเล็กตรอนในโมเลกุลอิทเทอร์เบียมฟลูออไรด์ (ytterbium fluoride) โดยใช้แสงเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงวัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน หากอิเล็กตรอนไม่กลมอย่างแท้จริงแล้ว การหมุนของอิเล็กตรอนจะไม่สมดุล การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนก็จะแสดงการบิดเบี้ยวอย่างเด่นชัด และทำให้รูปร่างโมเลกุลทั้งหมดบิดเบี้ยวไปด้วย แต่ทีมวิจัยยังไม่พบการบิดเบี้ยวดังกล่าว

เพื่อปรับปรุงการวัดรูปร่างอิเล็กตรอนให้ดีขึ้น ทีมวิจัยของ ดร.ฮัดสันจึงกำลังพัฒนาวิธีใหม่เพื่อทำให้โมเลกุลที่พวกเขาศึกษาเย็นลงจนมีอุณหภูมิต่ำอย่างยิ่งยวด และพัฒนาวิธีเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่แท้จริงของโมเลกุล ซึ่งวิธีต่างๆ เหล่านี้จะช่วยให้นักวิจัยศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในรายละเอียด มากกว่าที่เคยศึกษากันมาก่อนหน้านี้ พวกเขาบอกอีกว่า เทคโนโลยีเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้เพื่อควบคุมปฏิกิริยาเคมี และใช้ทำความเข้าใจพฤติกรรมของระบบทางเคมี ที่ซับซ้อนเกินกว่าจะจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้

อย่างไรก็ดี ในความเห็นของ ศ.อารอน ลีนฮาร์ดท์ (Prof.Aaron Leanhardt) จากมหาวิทยาลัยมิชิแกน (Michigan University) ในสหรัฐฯ ให้ความเห็นว่า งานวิจัยของทีม ศ.ฮัดสันนั้น ไม่ได้เปลี่ยนแปลงความเข้าใจเรื่องฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานของนักวิทยาศาสตร์ เพียงแต่ภาพของงานวิจัยที่มีการปรับปรุงการวัดและศักยภาพของงานที่อาจมีผลต่อทฤษฎีฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบัน ได้กระตุ้นให้ประชาคมวิจัยต้อง “ลุกขึ้นมามอง” การทำงานของพวกเขา

ถึงแม้ว่ารูปร่างของอิเล็กตรอนจะมีบทบาทสำคัญต่อทฤษฎีฟิสิกส์อนุภาคในอนาคต แต่แรงจูงใจหลักของ ดร.ฮัดสัน ในการศึกษาเรื่องนี้กลับเป็นเพียงความใคร่รู้พื้นฐาน เขาบอกว่าเราควรจะต้องรู้ว่า แท้จริงแล้วรูปร่างของอิเล็กตรอนเป็นอย่างไร

“อิเล็กตรอน คือหนึ่งในโครงสร้างพื้นฐานของสสาร และถ้านี่ไม่ใช่สิ่งที่นักฟิสิกส์ต้องทำแล้ว ผมก็นึกไม่ออกว่าเราควรจะทำอะไร” ดร.ฮัดสันให้ความเห็น