เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม ปีกลายนี้ คนทั่วโลกตื่นเต้นเมื่อได้ทราบข่าวจาก CERN (องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป) ว่าหลังจากที่ได้พยายามค้นหาอนุภาคตัวหนึ่งมานานร่วม 50 ปี นักฟิสิกส์อนุภาคก็ได้เห็นร่องรอยของอนุภาคที่บางคนคอยมาทั้งชีวิตแล้ว ซึ่งนั่นหมายความว่า ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ของนักฟิสิกส์อนุภาคมีความถูกต้องสมบูรณ์ (ถึงระดับหนึ่ง) ในการอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานที่พบทุกชนิดแล้ว และอันตรกริยา 3 รูปแบบ (คือไฟฟ้า นิวเคลียร์อย่างอ่อน และนิวเคลียร์อย่างแข็ง) ด้วยการใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก ชื่อ Large Hadron Collider (LHC) มูลค่า 3 แสนล้านบาทที่ตั้งอยู่ใกล้กรุง Geneva ในสวิตเซอร์แลนด์
ย้อนอดีตถึงปี 1964 Peter Higgs แห่งมหาวิทยาลัย Edinburgh ในอังกฤษได้นำเสนอทฤษฎีที่ใช้อธิบายสาเหตุที่ทำให้อนุภาคต่างๆ เช่น proton, electron, muon, neutrino, sigma, lambda, quark, hyperon ฯลฯ มีมวลต่างกัน ว่าเพราะธรรมชาติมีสนามหนึ่ง (ซึ่งในเวลาต่อมาเรียกว่าสนาม Higgs) ที่ส่งแรงกระทำต่ออนุภาคทุกชนิด และถ้าแรงที่กระทำมีค่ามาก อนุภาคก็จะมีมวลมาก ในทางตรงกันข้าม ถ้าแรงที่กระทำมีค่าน้อย อนุภาคก็จะมีมวลน้อย ดังนั้นเมื่ออนุภาคต่างชนิด เคลื่อนที่ไปในสนาม Higgs มันจะถูกหน่วงด้วยแรงที่แตกต่างกัน มวลของมันจึงแตกต่างกัน
ในมุมมองของวิชาควอนตัม สนามของแรงทุกสนามจะมีอนุภาคที่เป็นของคู่กัน เช่น สนามไฟฟ้า จะมีอนุภาค photon สนามนิวเคลียร์จะมีอนุภาค meson สนามโน้มถ่วงมีอนุภาค graviton ดังนั้นสนาม Higgs ก็จะมีอนุภาค Higgs ด้วย
อันที่จริง Higgs มิได้เป็นบุคคลคนเดียวที่เสนอแนวคิดนี้ เพราะในช่วงเวลาเดียวกันนั้นได้มีนักฟิสิกส์ทฤษฎีอีกหลายท่านที่ช่วยกันพัฒนาแนวคิดนี้ ดังนั้น อนุภาค Higgs จึงน่าจะมีชื่อเรียกว่า อนุภาค Anderson – Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen – Kibble แต่ Higgs เป็นนักฟิสิกส์คนแรกที่ระบุว่า สนามนี้ต้องมีอนุภาคเป็นองค์ประกอบ ตั้งแต่นั้นมาโลกจึงรู้จักอนุภาค Higgs
ในความพยายามจะเข้าใจความสำคัญของอนุภาค Higgs เราต้องรู้ว่า โลกฟิสิกส์อนุภาคเมื่อ 70 ปีก่อนมีอนุภาคต่างๆ หลายร้อยชนิดที่มีคุณสมบัติไม่เหมือนกัน เช่น มีมวลไม่เท่ากัน มีประจุแตกต่างกัน มีอายุขัย (เวลาชีวิต) ไม่เท่ากัน มีอันตรกริยาต่อกันไม่เหมือนกัน ฯลฯ ทำให้นักฟิสิกส์ทุกคนรู้สึกสับสน จนเห็นความจำเป็นที่ต้องมีทฤษฎีพื้นฐานที่สามารถอธิบายความโกลาหลที่กำลังเป็นอยู่ให้เป็นที่เข้าใจ
อีก 20 ปีต่อมา ความพยายามของนักฟิสิกส์ทฤษฎีได้คืบหน้าไปมาก เมื่อได้พบว่า สสารทุกชนิดในเอกภพ ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน (คืออนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงไปได้อีก) 2 ชนิด เรียก quark และ lepton โดย quark มี 6 ชนิดย่อย คือ up, down, top, bottom, charm และ strange ส่วน lepton ก็มี 6 ชนิดย่อยเช่นกัน คือ electron, muon electron, tau electron, electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino เช่น proton ที่พบในนิวเคลียสของทุกอะตอมนั้นประกอบด้วย quark ชนิด up 2 ตัว และชนิด down 1 ตัว ส่วน neutron ประกอบด้วย quark ชนิด up 1 ตัวกับชนิด down 2 ตัว เป็นต้น และในบรรดา quark ทุกชนิด top quark เป็น quark ที่มีมวลมากที่สุด
สำหรับเรื่องอันตรกริยานั้น ทฤษฎีควอนตัมสนามอธิบายว่าเวลาอนุภาคทั้งสองมีแรง(อันตรกริยา) กระทำต่อกัน อนุภาคทั้งสองจะแลกเปลี่ยนอนุภาค boson กัน ซึ่ง boson มีหลายชนิด (boson คืออนุภาคของแรง มิใช่อนุภาคของสสาร) เช่น ในกรณีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างประจุบวกกับประจุลบ อนุภาคที่ใช้แลกเปลี่ยน คือ photon (อนุภาคแสง) และในกรณีอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนที่เกิดเวลานิวเคลียสกัมมันตรังสีสลายตัว อนุภาคที่เป็นสื่อมี 3 ชนิด คือ Z boson ที่ไม่มีประจุ และอนุภาค W+ boson กับ W- boson ที่มีประจุบวกและลบตามลำดับ สำหรับอันตรกริยานิวเคลียร์แบบแข็งที่เกิดระหว่าง quark อนุภาคของแรงที่เป็นสื่อคือ gluon
ในช่วงทศวรรษของปี 1960 Sheldon Glashow, Stephen Weinberg และ Abdus Salam ได้ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์อันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic interaction) และอันตรกริยาอย่างอ่อน (weak interaction) เข้าเป็นหนึ่งเดียวซึ่งเรียกว่า electroweak interaction แม้โครงสร้างของทฤษฎีจะดูสมบูรณ์ไร้ที่ติและได้รับการตรวจสอบว่าถูกต้องดี แต่ทฤษฎีนี้ก็มีข้อจำกัดว่า อนุภาค boson ในทฤษฎีนี้ต้องไม่มีมวล ซึ่งขัดกับทฤษฎีควอนตัมของอันตรกริยาอย่างอ่อนที่กำหนดว่าอนุภาคของแรงในอันตรกริยานี้ต้องมีมวล
Peter Higgs จึงนำเสนอทางออกสำหรับเรื่องมวลของอนุภาคแรงโดยนำแนวคิดเรื่องสนามชนิดใหม่ (สนาม Higgs) เข้ามา และชี้ให้เห็นต้นเหตุของมวลว่า เสมือนเหตุการณ์ ซุปสตาร์เดินเข้ามาในฝูงชน ซึ่งจะทำให้แฟนกรูเข้าหา จนซุปสตาร์เดินแหวกไปได้อย่างยากลำบาก เพราะถูกแฟนดึงตัวจึงทำให้เดินได้ช้า และดูเสมือนมีมวลมาก
Higgs ได้นำเสนอกลไก electroweak symmetry breaking คล้ายกับที่ Anderson, Englert และ Brout ได้เคยใช้ในการอธิบายเปลี่ยนเฟสของสสาร (phase transition) ทำให้ electromagnetic interaction กับ weak interaction มีสมมาตรที่ต่างกัน ผลที่ตามมาคือ photon ยังไม่มีมวลเหมือนเดิม แต่ Z boson กับ W± boson มีมวล และทฤษฎียังพยากรณ์อีกว่าต้องมีอนุภาคอีกตัวหนึ่งคือ Higgs boson เกิดขึ้นด้วย และอนุภาคชนิดนี้มีมวลหลายร้อยเท่าของโปรตอน
ในส่วนของ photon นั้น Einstein เคยใช้อธิบายปรากฏการณ์ photoelectric ตั้งแต่ปี 1905 สำหรับ Z0, W+, W- boson นั้นก็พบในปี 1987 ที่ CERN โดย Carl Rubbia จึงเหลือแต่ Higgs Boson เท่านั้นที่ยังไม่มีใครผู้ใดพบ และนี่ก็คือสาเหตุที่ทำให้คนทั้งโลกตื่นเต้นในช่วงต้นเดือนกรกฎาคมของปีที่ผ่านมา
ทฤษฎีใหม่นี้ไม่ได้ระบุชัดว่า มวลของอนุภาค Higgs มีค่าเท่าใด ซึ่งถ้ารู้ นักฟิสิกส์ทฤษฎีก็จะสามารถรู้อัตราการสลายตัว และรูปแบบการสลายตัวได้ทันที ทฤษฎีระบุเพียงว่า อนุภาค Higgs ไม่มีประจุ คือเป็นกลาง เป็นอนุภาคมูลฐาน คือ มิได้ประกอบด้วยอนุภาคอื่นๆ ที่เล็กกว่า มี spin เท่ากับศูนย์และมี parity เป็นบวก
ในการค้นหาอนุภาค Higgs นั้น นักฟิสิกส์นานาชาติที่ CERN ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ทรงพลังที่สุดในโลก จนต้องฝังอยู่ใต้ดินที่ระดับลึกร่วม 100 เมตร เพื่อความปลอดภัย ณ บริเวณพรมแดนระหว่างฝรั่งเศสกับสวิสเซอร์แลนด์เร่งอนุภาคโปรตอนพลังงาน 8 Tev (8x1.6x10-7จูล) ให้พุ่งชนกัน และพลังงานที่มาก มหาศาลนี้ จะเปลี่ยนเป็นมวลตามสมการ E = mc2 ของ Einstein เมื่อ c คือความเร็วแสง
นักทฤษฎีประมาณว่าจากอนุภาค proton จำนวน 1 ล้าน ล้านตัวที่พุ่งชนกัน จะมีอนุภาค Higgs เกิดขึ้น 1 ตัว (ลองเปรียบเทียบกับเม็ดทรายที่ถมเต็มสระว่ายน้ำ จะมีเม็ดทรายที่เป็นอนุภาค Higgs เพียง 2-3 เม็ด) ซึ่งจะสลายตัวทันที ภายในเวลา 10-22 วินาที ให้ photon 2 ตัว หรือ Z0 boson 2 ตัว หรืออะไรอื่นใด ก็ขึ้นกับมวลของอนุภาค Higgs ซึ่งยังไม่มีใครรู้ชัด 100%
เพราะอนุภาค Higgs สลายตัวเร็วมาก และใน 1 วินาทีมีอนุภาคโปรตอนพุ่งชนกัน 1,000 ล้านครั้ง ดังนั้นอุปกรณ์ตรวจที่สามารถจะเห็น Higgs ได้ จะต้องทำงานเร็วมากจึงจะเห็น นับพันล้านครั้งได้ใน 1 วินาที ดังนั้น ดังนั้น นักทดลองที่ LHC จึงต้องสร้างอุปกรณ์ตรวจขนาดมโหฬาร 2 เครื่อง ชื่อ CMS (Compact Muon Solenoid) และ ATLAS (A Toroidal Large Apparatus) โดย CMS มีขนาดกว้าง 17 เมตร ยาว 23 เมตร และหนักประมาณ 14,000 ตัน ส่วน ATLAS มีขนาดใหญ่กว่า คือกว้าง 23 เมตร ยาว 37 เมตร และหนักประมาณ 8,000 ตัน ทั้ง CMS และ ATLAS มีอุปกรณ์ตรวจขนาดจิ๋ว 100 ล้านชุด เรียงรายซ้อนหลายชั้น เพื่อทำหน้าที่วัดพลังงานของ photon, electron, pion, proton, muon ฯลฯ ที่เกิดจาการสลายตัวของอนุภาค Higgs การใช้อุปกรณ์ตรวจ 2 เครื่องที่ทำงานอิสระจากกันเพื่อศึกษาเหตุการณ์เดียวกัน ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน จะทำให้รู้ว่าเครื่องใดดี และเครื่องใดด้อย และถ้าอนุภาค Higgs มีจริง เครื่องทั้งสองต้องเห็นพร้อมกัน และวัดสมบัติต่างๆ ได้ค่าใกล้เคียงกัน
เพราะเหตุว่า อนุภาค Higgs boson ตามปกติจะทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีมวลมากที่สุด ซึ่งในที่นี้คือ top quark มวล 173.5 GeV ในขณะที่โปรตอนมีมวล 0.93 GeV ดังนั้นนักทดลองจึงต้องสร้าง top quark ขึ้นมาก่อนจากอนุภาคโปรตอนพลังงานสูงที่พุ่งชนกัน แล้ว up quark กับ down quark ในอนุภาคโปรตอนจะสร้าง top quark กับ antitop quark ขึ้นมา ซึ่งจะทำลายกันเพราะเป็นปฏิสสารกันให้อนุภาค Higgs boson
ก่อนปี 2010 ในการทดลองหามวลของอนุภาค Higgs นักทดลองพบว่า มีมวลอยู่ในช่วง 114 – 600 GeV ซึ่งสามารถสลายได้หลายรูปแบบ เช่นให้ charm quark (มวล 1.3 GeV) tau lepton (มวล 1.8 GeV), bottom quark (มวล 4.5 GeV), W± boson (มวล 80 GeV), Z0 boson (มวล 191 GeV) หรือ top quark (มวล 173.5 GeV) และตามทฤษฎีนั้น เวลาอนุภาค Higgs สลายตัว หลักการทรงโมเมนตัม หลักการทรงพลังงาน และหลักการทรงประจุจะต้องเข้ามาควบคุมการสลายตัว ดังนั้น อนุภาค Higgs จะต้องสลายตัวให้อนุภาคอย่างน้อย 2 ตัวขึ้นไป โดยตัวหนึ่งเป็นสสาร และอีกตัวหนึ่งเป็นปฏิสสาร (antimatter)
นักทฤษฎีได้คำนวณพบว่า ถ้าอนุภาค Higgs มีมวล 114 GeV เวลามันสลายตัว 70% ของเหตุการณ์ จะให้ bottom quark กับ antibottom quark ที่เหลืออีก 30% จะให้อนุภาคอื่นๆ เช่น gluon, charm quark หรือ tau electron เป็นต้น
แต่ถ้าอนุภาค Higgs มีมวลตั้งแต่ 114 – 160 GeV การสลายตัวจะมีอนุภาค W+ boson และ W- boson เกิดขึ้น
และถ้ามวลของ Higgs มีค่าตั้งแต่ 160 – 165 GeV (ซึ่งมากประมาณ 2 เท่าของมวลอนุภาค W± boson) 95% ของเหตุการณ์สลายตัวจะให้ W+ boson และ W- boson
ส่วนในกรณีที่อนุภาค Higgs มีมวลมากกว่า 165 GeV มันอาจสลายตัวให้อนุภาค Z0 2 ตัว และถ้าอนุภาค Higgs มีมวลระหว่าง 200 -350 GeV นักทฤษฎีคำนวณพบว่า 70% ของเหตุการณ์สลายตัวจะให้ W± boson ส่วน 30% ที่เหลือจะให้ Z0 boson 2 ตัว แต่ถ้าอนุภาค Higgs มีมวลมากกว่า 350 GeV ขึ้นไป มันอาจสลายตัวให้อนุภาค top quark 1 คู่ และท้ายที่สุด ถ้ามวลของ Higgs สูงกว่า 400 GeV ก็จะได้ว่า 55% ของเหตุการณ์จะให้อนุภาค W± 1 คู่ กับ 25% ของเหตุการณ์จะให้อนุภาค Z0 1 คู่ และ 20% ของเหตุการณ์จะให้ top quark 1 คู่
ดังนั้น เราจึงเห็นได้ว่า ในการค้นหาอนุภาค Higgs เครื่องตรวจ CMS และ ATLAS จะต้องมีสมรรถภาพสูงระดับเทพจึงจะเห็นอนุภาค tau lepton กับ top quark, bottom quark, W± และ Z0 boson ได้
ในการทดลองเดินเครื่องเป็นครั้งแรกเมื่อเดือนกันยายน 2008 เครื่องเร่ง LHC มีปัญหาเกี่ยวกับระบบทำความเย็น ทำให้ต้องปิดเครื่องซ่อมเป็นเวลานาน 1.5 ปี แล้วเริ่มเดินเครื่องใหม่ในเดือนมีนาคม 2010 โดยได้เร่งโปรตอนจนมีพลังงาน 7 TeV และพบว่า มวลของอนุภาค Higgs ไม่อยู่ในช่วง 150-200 GeV แน่ๆ แต่อาจจะอยู่ในช่วง 116-127 GeV
เมื่อถึงเดือนมีนาคม 2012 LHC ได้เพิ่มพลังงานของโปรตอนขึ้นไปอีกถึงระดับ 8 TeV เพราะถ้าพลังงานเพิ่ม อัตราการผลิตอนุภาค Higgs ก็จะเพิ่มด้วย ผลการทดลองระบุว่า อนุภาค Higgs มีมวลอยู่ระหว่าง 115-135 GeV
ลุถึงเดือนกรกฎาคม ปี 2012 อุปกรณ์ CMS ได้รายงานว่า พบอนุภาค Higgs มีมวล 125.3 GeV ที่ระดับความมั่นใจ 99.99994% ส่วน ATLAS ก็ระบุอนุภาค Higgs มีมวล 126.5 GeV ที่ระดับความเชื่อมั่นใกล้เคียงกัน
การ “พบ” อนุภาค Higgs ของอุปกรณ์ตรวจทั้งสอง ซึ่งให้ค่ามวลของอนุภาค Higgs ใกล้เคียงกัน จนทำให้นักฟิสิกส์มั่นใจว่า ได้พบ Higss แล้วจริงๆ
แต่ข้อมูลที่ได้ก็ยังไม่เพียงพอ เพราะเราไม่รู้ว่า Higgs มีสมบัติอื่นใดอีกบ้าง มี spin, parity เท่าไร และมีรูปแบบการสลายตัวเช่นไร ซึ่งนักฟิสิกส์ที่ CERN จะต้องตอบคำถามเกี่ยวกับสมบัติต่างๆ ของอนุภาค Higgs ให้จงได้ เพราะในความเป็นจริง อนุภาค Higgs มี 5 ชนิด และ LHC ณ วันนี้จะเห็นได้เฉพาะตัวที่มีมวลน้อยที่สุด ดังนั้น นักฟิสิกส์ที่ CERN จึงวางแผนทดลองเพิ่มพลังงานของ proton อีก ที่ระดับ 14 TeV และนั่นก็หมายความว่า LHC อาจสร้าง dark matter ที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้จักก็เป็นได้
แต่ก่อนจะถึงช่วงนั้น ในปี 2013 LHC ได้กำหนดจะปิดเครื่องชั่วคราว เพื่อใช้เวลาวิเคราะห์คุณสมบัติต่างๆ ของ Higgs จนถึงปี 2015 LHC ก็จะเริ่มเดินเครื่องใหม่ ที่ระดับพลังงาน 14 TeV เพื่อค้นหาอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้จักต่อไป การค้นพบอนุภาค Higgs boson จึงไม่ใช่จุดจบของการแสวงหาความรู้ แต่เป็นการเริ่มต้นของการยืนยันหรือหักล้าง หรือต่อยอดองค์ความรู้ของทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ซึ่งจะนำไปสู่ทฤษฎีของสรรพสิ่ง (Theory of Everything) ในที่สุด
อ่านเพิ่มเติมจาก “The Hunt for the God Particle” ที่เรียบเรียงโดย Ian Sample และจัดพิมพ์โดย Virgin Books ใน Ireland ในปี 2010
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
