โปรตอน คือ อนุภาคประจุบวกที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมทุกชนิด Ernest Rutherford เป็นผู้พบโปรตอนในปี 1919 จากเดิมที่นักฟิสิกส์คิดว่า มันเป็นอนุภาคมูลฐาน เพราะไม่สามารถแบ่งแยกมันได้อีก แต่การทดลองยิงโปรตอนด้วยโปรตอนที่มีพลังงานสูงมากในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่า โปรตอนมีทั้งขนาด และโครงสร้างภายใน เพราะหลังการชน ได้มีอนุภาคหลายชนิดเกิดขึ้นมากมาย และที่มาของอนุภาคเหล่านี้สามารถอธิบายได้ ถ้าโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคชนิดใหม่ที่มีขนาดเล็กกว่า ด้วยแนวคิดนี้ Murray Gell-Mann แห่ง California Institute of Technology กับ George Zweig แห่งศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป (CERN) จึงตั้งชื่ออนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของโปรตอนว่า quark ดังนั้นโปรตอนจึงไม่ใช่อนุภาคมูลฐานอีกต่อไป
ในเวลาต่อมา การทดลองใช้เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่มหาวิทยาลัย Stanford (Stanford Linear Accelerator) เมื่อปี 1969 โดยให้โปรตอนพลังงานสูงพุ่งชนกัน แสดงให้เห็นชัดว่า ภายในโปรตอนมีอนุภาคขนาดเล็กกว่าคือ quark 3 อนุภาค จริงตามที่ Gell-Mann และ Zweig ได้เสนอไว้ทุกประการ และโปรตอนนั้นประกอบด้วย quark 3 อนุภาค ส่วน meson ประกอบด้วย quark กับ antiquark เพียง 2 อนุภาค
การศึกษาในเวลาต่อมาทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า quark มี 6 ชนิด และโปรตอนประกอบด้วย quark ชนิด up 2 อนุภาค และชนิด down 1 อนุภาค
โดย quark ทั้งสองชนิดดังกล่าวมีประจุ +(2/3)e และ -(1/3)e ตามลำดับ (เมื่อ e คือประจุของอิเล็กตรอน) (ดังนั้น quark ชนิด up 2 อนุภาค และ down 1 อนุภาคจึงมีประจุลัพธ์เท่ากับ 2(2/3)e +(-1/3)e =1e ) ส่วนนิวตรอนซึ่งประกอบด้วย quark ชนิด up 1 อนุภาค และ quark ชนิด down 2 อนุภาค จึงมีประจุลัพธ์เป็น
2e/3 + 2(-1e/3) = 0 นั่นคือเป็นกลาง
ทฤษฎีที่ใช้อธิบายสมบัติและธรรมชาติของ quark ในโปรตอน คือ ทฤษฎี Quantum Chromodynamics (QCD) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎี Standard Model ที่นักฟิสิกส์ใช้อธิบายธรรมชาติของอนุภาคมูลฐานทุกชนิด รวมถึงอันตรกริยาไฟฟ้ากับอันตรกริยานิวเคลียร์ทั้งแบบเข้มและแบบอ่อน โดยในทฤษฎี QCD quark มีประจุสี (color charge) ซึ่งมิใช่ประจุไฟฟ้า และเป็นประจุที่ทำให้เกิดอันตรกิริยาแบบนิวเคลียร์ระหว่าง quark ด้วยการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon กัน
เหตุการณ์นี้จึงดำเนินไปในลักษณะเดียวกันกับอันตรกริยาไฟฟ้าระหว่างประจุไฟฟ้าซึ่งเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค photon กัน
ด้วยเหตุนี้โครงสร้างของโปรตอนในสมัยเมื่อ 50 ปีก่อน จึงประกอบด้วย quark และมี gluon ซึ่งเป็นตัวกลางที่ทำให้เกิดแรงกระทำระหว่าง quark โดย gluon มีสปินเท่ากับ 1 การเคลื่อนที่ของ quark และ gluon ในโปรตอนจึงมีส่วนทำให้โปรตอนมีสปินและโมเมนตัมเชิงมุมดังที่นักฟิสิกส์วัดได้
ในการทดลองยิงโปรตอนด้วยอนุภาค neutrino ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า นอกจากโปรตอนจะประกอบด้วย quark 3 อนุภาคแล้ว โปรตอนยังมี antiquark ด้วย ซึ่ง antiquark นี้เกิดจากการที่อนุภาค gluon สลายตัวเป็น quark กับ antiquark ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตอนในปัจจุบันจึงเป็นว่า ภายในโปรตอนมีอนุภาค gluon และคลาคล่ำด้วยอนุภาค quark และ antiquark มากมาย จนเป็น “ทะเล quark”
เมื่อผลการทดลองเป็นเช่นนี้ นักฟิสิกส์จึงต้องพิจารณาใหม่ว่า ในการจะเข้าใจธรรมชาติอย่างสมบูรณ์ของโปรตอน เราจะต้องเข้าใจสมบัติของทะเล quark ก่อน
ในปี 1992 เมื่อเครื่องเร่งอนุภาคที่ Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ในเยอรมนี เริ่มทำงานโดยให้อิเล็กตรอนพลังงานสูงพุ่งชนโปรตอน เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างภายในของโปรตอน ทำให้ได้เห็นอนุภาค quark, antiquark และ gluon เกิดขึ้นมากมาย การวิเคราะห์มุมกระเจิง และพลังงานของอนุภาคต่างๆ ทุกอนุภาคที่เกิดหลังการชนได้ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎี QCD ได้
ทฤษฎี QCD ทำนายว่า quark มี 6 ชนิด (up, down, top, bottom, charm, strange) โดยแต่ละชนิดมีมวลไม่เท่ากัน ดังนั้นหลังการชน quark ที่มีมวลมาก (ซึ่งได้แก่ quark ชนิด charm, bottom และ top) น่าจะมีโอกาสปรากฏตัวให้เห็นค่อนข้างน้อย แต่ quark ที่มีมวลน้อย (เช่น ชนิด up, down) จะปรากฏให้เห็นบ่อย ส่วน quark ชนิด strange ซึ่งมีมวลมากกว่าชนิด up และชนิด down เล็กน้อยโอกาสที่จะปรากฏให้เห็นน่าจะมีน้อยกว่า ทว่าการทดลองที่ DESY และที่ Fermi National Accelerator Laboratory รัฐ Illinois ของสหรัฐอเมริกากลับให้ข้อมูลที่แตกต่างจากค่าที่คำนวณจากทฤษฎีมาก เช่น จำนวนครั้งที่ quark ชนิด strange ปรากฏมีค่าน้อยกว่าค่าที่ทำนายจากทฤษฎีมาก
ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นอีกว่าจำนวน antiquark ชนิด up ที่ปรากฏหลังการชนมีค่าไม่เท่ากับจำนวน antiquark ชนิด down ทั้งๆ ที่ทฤษฎีทำนายว่า จำนวน antiquark ชนิด up จะเท่ากับจำนวน antiquark ชนิด down พอดี แต่ผลการทดลองกลับแสดงว่าจำนวน antiquark ชนิด down มีค่ามากกว่า antiquark ชนิด up ในอัตราส่วน 3:2 ผลการทดลองนี้จึงแสดงว่า ทฤษฎี QCD ที่นำมาใช้ในการอธิบายโครงสร้างของโปรตอนยังไม่สมบูรณ์
ในการปรับความขัดแย้งนี้ Anthony Thomas แห่งมหาวิทยาลัย Adelaide ในออสเตรเลีย จึงได้เสนอแนวคิดเรื่องโครงสร้างของโปรตอนใหม่ว่า โปรตอนมีเมฆของอนุภาค meson ห่อหุ้ม และโปรตอนได้เปลี่ยนไปเป็นนิวตรอน ที่มีเมฆของอนุภาค pi meson ซึ่งมีประจุบวกห้อมล้อมร่วมกับ quark ชนิด up 1 อนุภาคกับ antiquark ชนิด down 1 อนุภาค ดังนั้น เวลาโปรตอนพุ่งชนอนุภาคอื่นๆ จึงเปรียบเสมือนอนุภาคนั้นถูกอนุภาคนิวตรอนกับอนุภาค pion ชน
ณ วันนี้โครงสร้างที่สมบูรณ์ของโปรตอนจึงยังไม่ยุติ เพราะกำลังทวีความซับซ้อนยิ่งขึ้นตลอดเวลา ไม่เพียงโครงสร้างภายในของโปรตอนเท่านั้นที่ยังไม่มีใครรู้ชัด แม้แต่โครงสร้างภายนอก เช่น ขนาดของโปรตอนและโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนก็ยังไม่ยุติเช่นกัน
ดังในวารสาร Nature เดือนกรกฎาคม ค.ศ.2010 Rudolf Pohl แห่ง Max Planck Institute for Quantum Optics ที่เมือง Garching ในเยอรมนีได้ทดลองสร้างอะตอมชนิดใหม่ โดยการแทนอิเล็กตรอนที่มีในอะตอมไฮโดรเจนด้วยอนุภาค muon แล้วศึกษาคลื่นแสงที่อะตอมชนิดใหม่นี้เปล่งออกมา ผลการทดลองหลังจากที่เวลาผ่านไป 12 ปีแสดงว่า โปรตอนมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.00000000000000084184 เมตร หรือ 0.84184 เฟมโตเมตร (1 femtometer = 10-15 เมตร ในขณะที่เซลล์เม็ดเลือดแดงของคนมีขนาด 0.00001 เมตร และอะตอมไฮโดรเจนมีขนาด 0.00000000001 เมตร) โปรตอนจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณแสนเท่า นั่นคือ ถ้าอะตอมไฮโดรเจนมีขนาดเท่าสนามฟุตบอล โปรตอนจะมีขนาดเท่ามด ตัวเลข 0.84184 นี้น้อยกว่าค่าที่เคยวัดได้ในอดีตถึง 4% อีกทั้งยังขัดแย้งกับค่าที่ทำนายจากทฤษฎี Quantum Electrodynamics (QED) ด้วย
ค่าที่แตกต่างนี้ทำให้นักฟิสิกส์ทฤษฎีพยายามหาเหตุผลมาอธิบาย เช่น Ulrich D.Jentschura แห่ง Missouri University of Science and Technology ที่ Rolla ในสหรัฐอเมริกาได้เสนอแนวคิดว่า ขณะ muon มีอันตรกริยาไฟฟ้ากับ proton ในนิวเคลียส บริเวณสุญญากาศระหว่างอนุภาคทั้งสองมีอนุภาค electron และปฏิอนุภาค antielectron เกิดขึ้น ซึ่งอนุภาคทั้งสองนี้จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว และอันตรกริยาระหว่างอนุภาคเหล่านี้ทำให้ขนาดของโปรตอนที่วัดได้มีค่าไม่ตรงตามทฤษฎี
นอกจากรัศมีของโปรตอนแล้ว โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนก็ยังเป็นเรื่องที่ไม่ยุติเช่นกัน นักฟิสิกส์เชื่อว่าธรรมชาติด้านกายภาพของสรรพสิ่งสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัม และตลอดเวลาที่ผ่านมามีอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานตัวจริง คือ ไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคอื่นใดเลย มีขนาดเล็กจนเปรียบเสมือนจุด (นักฟิสิกส์บางคนกำลังวัดขนาดของอิเล็กตรอน) และมีสมบัติอันได้แก่ มวล ประจุ และไดโพลแม่เหล็ก ซึ่งพบว่ามีค่าน้อยกว่า 8.7 x 10-31 e.m. จึงสามารถแสดงพฤติกรรมเสมือนเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดเล็ก เรียกโมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment)
ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 29 พฤษภาคม ปี 2014 คณะวิจัยภายใต้การนำโดย A. Mooser แห่งมหาวิทยาลัย Mainz ในเยอรมนีกับคณะวิจัยในญี่ปุ่นได้ทดลองวัดโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน โดยใช้เทคนิคที่ถูกต้อง แม่นยำและละเอียดกว่าการทดลองอื่นใดในอดีตถึง 760 เท่า
ดังเมื่อปี 1972 ที่คณะนักฟิสิกส์แห่ง Massachusetts Institute of Technology ประสบความสำเร็จในการวัดโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน ได้ค่าผิดพลาดไม่เกิน 10 ส่วนใน 1,000 ล้านส่วน และคณะวิจัยแห่ง Mainz University และ Max Planck Institute for Nuclear Physics ที่ Hidelberg กับสถาบัน RIKEN Institute ของญี่ปุ่น วัดโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน โดยใช้เทคนิคกับดัก Penning ซึ่งใช้ทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้ากักขังอนุภาคโปรตอนเพียงอนุภาคเดียว เพื่อวัดสมบัติต่างๆ จนได้พบว่า โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนมีค่า 2.792847350 (9) nuclear magneton ซึ่งผู้ทดลองอ้างว่าผิดพลาดไม่เกิน 3.3 ส่วน ใน 1,000 ล้านส่วน และเป็นการทดลองที่ดีที่สุด
ในการทดลองขั้นต่อไป นักฟิสิกส์คณะนี้จะวัดโมเมนต์แม่เหล็กของ antiproton บ้าง (antiproton มีประจุและโมเมนตัมแม่เหล็กตรงข้ามกับโปรตอน) และทฤษฎีทำนายว่า โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนจะต้องเท่ากับโมเมนต์ของ antiproton แต่ถ้าได้ค่าแตกต่างไป แม้แต่เพียงเล็กน้อย ความแตกต่างนี้ก็จะช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถตอบคำถามได้ว่าเหตุใด เอกภพจึงมีปริมาณสสารมากกว่าปฏิสสาร
จึงเป็นว่าหลังจากที่นักฟิสิกส์รู้จักโปรตอนมานาน 96 ปี ก็ยังรู้อะไรๆ เกี่ยวกับอนุภาคตัวนี้ไม่หมด
อ่านเพิ่มเติมจาก Quarks, Baryons and Chiral Symmetry โดย A. Hosaka และ H. Toki จัดพิมพ์โดย World Scientific ในปี 2001
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
