สสารทุกชนิดมีมวล เพราะประกอบด้วยอนุภาคนานาชนิด เช่น electron, neutrino, proton, neutron … ฯลฯ ที่ล้วนมีมวล แต่วงการฟิสิกส์ก็มีคำถามหนึ่งที่ได้ทำให้ทุกคนงุนงงมาเป็นเวลานาน นั่นคือ อะไรทำให้อิเล็กตรอน นิวตริโน โปรตอน นิวตรอน ฯลฯ มีมวล และเหตุใด photon จึงไม่มีมวล ในการตอบคำถามนี้ Peter Higgs ได้เสนอคำอธิบายว่า ธรรมชาติมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน ซึ่งทำให้อนุภาคทุกชนิดในเอกภพภพมีมวล ถ้าอนุภาคนั้นมีอันตรกริยาอย่างรุนแรงกับอนุภาค Higgs มันก็จะมีมวลมาก ส่วนอนุภาคที่มีมวลน้อยก็เพราะมันทำอันตรกริยาอย่างผิวเผินกับอนุภาค Higgs และอนุภาคใดที่ไม่ทำอันตรกริยากับอนุภาค Higgs เลยก็จะไม่มีมวล เพราะทฤษฎีที่ Higgs เสนอมีหลักการที่สมเหตุสมผล อีกทั้งมีความงามในเชิงโครงสร้าง และเมื่อคำทำนายต่างๆ ของทฤษฎีได้รับการยืนยันในเวลาต่อมาว่าถูกต้อง นักฟิสิกส์จึงได้ทุ่มเทความพยายามค้นหาอนุภาค Higgs
การไล่ล่าหา Higgs ได้สิ้นสุดลงเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม ปี 2012 เพราะเครื่องเร่งอนุภาครูปวงกลมที่มีเส้นรอบวงยาวประมาณ 27 กิโลเมตรชื่อ Large Hadron Collider (หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า LHC) พบอนุภาค Higgs หลังจากที่ได้บังคับให้โปรตอน 2 อนุภาคที่มีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสงพุ่งชนกัน และการค้นพบที่สำคัญมากนี้ทำให้ Peter Higgs กับ Francois Englert ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2013
การสืบค้นประวัติการถือกำเนิดของอนุภาค Higgs ทำให้พบว่า Francois Englert กับ Robert Brout (ซึ่งปัจจุบัน Brout ได้เสียชีวิตไปแล้ว) คือ สองบุคคลแรกที่ได้เสนอความคิดว่า เอกภพมีสนามอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่มีใครรู้จัก และสนามนี้ส่งแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีมวลทุกชนิด ด้าน Higgs ซึ่งทำงานเป็นเอกเทศที่มหาวิทยาลัย Edinburgh ในอังกฤษก็ได้เสนอแนวคิดทำนองเดียวกันนี้ว่า สนามที่ Englert กับ Brout กล่าวถึงนั้น เป็นสนามเกิดจากอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน นั่นคือ อนุภาค Higgs
คำว่า “สนาม” สำหรับนักฟิสิกส์แบบคลาสสิกหมายถึงสิ่งที่ขึ้นกับตำแหน่ง และเวลาอนุภาคอยู่ในสนาม อนุภาคจะถูกแรงกระทำ อาทิเช่น สนามไฟฟ้าที่มีในบริเวณโดยรอบของประจุไฟฟ้า เพราะความเข้มของสนามขึ้นกับตำแหน่งที่อนุภาคอยู่ห่างจากประจุ ดังนั้นถ้าเรารู้กฎที่แถลงว่าสนามขึ้นกับระยะทางอย่างไร เราก็สามารถเขียนสมการได้ นักฟิสิกส์เรียกสมการนี้ว่า สมการสนาม
แต่ในทฤษฎีควอนตัม นักฟิสิกส์พบว่า ไม่เพียงแต่อันตรกริยาระหว่างอนุภาคเท่านั้นที่สามารถอธิบายได้โดยใช้แนวความคิดเรื่องสนาม ตัวอนุภาคเองก็ต้องพึ่งพาแนวความคิดเรื่องสนามเช่นกัน ทั้งนี้ เพราะเราไม่มีวันรู้ตำแหน่งที่แน่นอนของอนุภาคขณะหนึ่งขณะใดแต่รู้เพียงโอกาสที่จะพบอนุภาคเท่านั้น เราจึงเขียนโอกาสดังกล่าวในรูปของสนาม ตัวอย่างอนุภาคของสนามที่เป็นที่รู้จักดีที่สุดคือ photon ซึ่งเป็นอนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
ตลอดเวลา 80 ปีที่ผ่านมานี้ นักฟิสิกส์ได้พัฒนาทฤษฎีฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานจนได้แบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ซึ่งในความเป็นจริง มิใช่แบบจำลอง แต่เป็นทฤษฎีฟิสิกส์ ที่สามารถใช้อธิบายสมบัติต่างๆ ของอนุภาคมูลฐานทั้ง 12 ชนิด รวมถึงอันตรกริยาทั้ง 3 รูปแบบระหว่างอนุภาคได้ด้วย นั่นคือ อันตรกริยาไฟฟ้า อันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน และอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็ง
สำหรับคำว่า อนุภาคมูลฐานที่ใช้ในที่นี้หมายถึง อนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งแยกออกเป็นอนุภาคอื่นที่เล็กกว่าได้อีก ดังนั้น ตามคำจำกัดความนี้ โปรตอนจึงมิใช่อนุภาคมูลฐาน เพราะมันประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า คือ ควาร์ก 3 อนุภาค นักฟิสิกส์ปัจจุบันได้พบว่า อนุภาคมูลฐานในธรรมชาติหากแบ่งชนิดตามอันตรกริยาจะมี 2 ชนิด คือ lepton กับ quark โดยอนุภาค lepton ซึ่งทำอันตรกริยาไฟฟ้ากับอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนมี 6 ชนิดได้แก่ electron, muon, tau, electron neutrino, muon neutrino กับ tau neutrino ส่วน quark ซึ่งทำอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็งก็มี 6 ชนิดเช่นกัน ได้แก่ up, down, charm, top, strange และ bottom รวมกันเป็น 12 ชนิดดังกล่าวข้างต้น
ในทฤษฎี Standard Model อันตรกริยาทั้งหลายในธรรมชาติเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค เช่น อันตรกริยาไฟฟ้าเกิดจากการแลกเปลี่ยน photon อันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค W+ , W- และ Z ส่วนอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็งเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon
นอกจากอนุภาคทั้ง 12 ชนิดแล้ว ธรรมชาติยังมีปฏิอนุภาค (antiparticle) ด้วย ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุตรงข้ามกับอนุภาคทุกประการ ทว่ามีสมบัติอื่นๆ เหมือนอนุภาคทุกประการ เช่น ปฏิอนุภาคของ electron คือ positron ซึ่งมีประจุบวก และมีสมบัติอื่นๆ เหมือน electron
นักฟิสิกส์ยังได้พบอีกว่า เวลา quark มีอันตรกริยากับ antiquark จะได้อนุภาคผสมที่เรียกอนุภาค meson และอนุภาคที่ประกอบด้วย quark 3 ตัวอยู่ด้วยกัน อนุภาคนั้นคือ baryon ซึ่งได้แก่ proton เพราะประกอบด้วย quark ชนิด up 2 ตัว และชนิด down 1 ตัว
ย้อนอดีตไปจนถึงปี 1905 เมื่อ Albert Einstein เสนอการปฏิรูปทฤษฎีกลศาสตร์ของ Newton ให้สามารถนำไปใช้ได้กับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีความเร็วสูง โลกก็มีทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และก่อนหน้านั้น 5 ปี Max Planck ได้ปฏิรูปทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ James Clerk Maxwell ที่ใช้บรรยายสมบัติกายภาพของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าว่าสามารถมีค่าอะไรก็ได้ เช่น ให้มีสมบัติใหม่ คือมีค่าเฉพาะบางค่าเท่านั้น จากนั้นใช้ทฤษฎีกลศาสตร์สถิติช่วย ทำให้ Planck สามารถอธิบายได้ว่า ความร้อนสามารถทำให้วัตถุทุกชนิดแผ่รังสีได้อย่างไร ทฤษฎีของ Planck คือทฤษฎีที่โลกรู้จักในนามทฤษฎี quantum
ภายในช่วงเวลาเพียง 15 ปี หลังจากที่ทฤษฎี quantum ถือกำเนิด ผลคำนวณและคำทำนายของทฤษฎีควอนตัมได้ชักนำให้นักฟิสิกส์คิดว่า ทฤษฎี quantum สามารถใช้ได้กับอะตอม และรังสีที่เปล่งออกมาจากอะตอมเท่านั้น แต่เมื่อเวลาผ่านไปนักฟิสิกส์ก็เริ่มตระหนักได้ว่า ทฤษฎี quantum ยังสามารถอธิบายสมบัติที่หลากหลายของสสารได้ด้วย แม้แต่สมบัติของอนุภาคใน nucleus ทฤษฎีควอนตัมก็สามารถอธิบายได้เช่นกัน
ความสำเร็จอย่างประเสริฐของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และทฤษฎีควอนตัมได้ชี้นำให้นักฟิสิกส์หันมาทุ่มเทความพยายามที่จะสังเคราะห์ทฤษฎีทั้งสองเป็นทฤษฎีควอนตัมของสนาม (quantum field theory QFT) แต่ก็ได้พบว่าทฤษฎี QFT ไม่สามารถอธิบายปรากฎการณ์การสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตรังสีได้ นั่นคือ ทฤษฎี QFT ยังอธิบายอันตรกริยาอย่างอ่อนไม่ได้ และเวลานักฟิสิกส์ใช้ทฤษฎีนี้คำนวณค่าอะไรก็ตาม จะพบว่าที่พลังงานสูงมากๆ ค่าเหล่านั้นจะพุ่งสู่อนันต์ (infinite) ซึ่งเป็นเรื่องที่นักฟิสิกส์ไม่ยอมรับ การประสบอุปสรรคนานับประการเหล่านี้ทำให้การพัฒนา QFT ถึงภาวะชะงักงัน
จนกระทั่งถึงปี 1954 เมื่อ Chen Ning Yang และ Robert Mills ตระหนักว่า ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน และทฤษฎีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell ต่างก็ตั้งอยู่บนหลักการเรื่อง local gauge invariance ซึ่งมีความหมายว่า ภายใต้การแปลงที่สมมาตร ผลที่เกิดขึ้นในบริเวณหนึ่งจะไม่กระทบกระเทือนต่อเหตุการณ์ในอีกบริเวณหนึ่ง
สมการสนาม Yang-Mills จึงได้รับการพัฒนาต่อในปี 1964 เมื่อ Peter Higgs, Francois Englert และ Robert Brout นำสมการสนาม Yang-Mills มาต่อยอดโดยแสดงให้เห็นว่า สุญญากาศ (vacuum) สามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างได้ ถ้าเอกภพมีอนุภาคที่มี spin เท่ากับศูนย์แต่มีมวล ในเวลาต่อมา นั่นคือ ถ้าอนุภาค Higgs มีจริง สมการสนาม Yang-Mills ที่มีกลไกแบบ Higgs จะสามารถอธิบายอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนได้ ถึงปี 1967 Abdus Salam, Sheldon Glashow และ Steven Weinberg ก็ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ทฤษฎีอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้ากับทฤษฎีอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนเป็นทฤษฎี Electroweak ซึ่งได้พยากรณ์ว่า ธรรมชาติจะต้องมีอนุภาคอีก 3 ชนิด คือ อนุภาค W+, W- และ Z ที่ใช้เป็นสื่อในอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน และข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างอนุภาค photon กับอนุภาค W+, W- และ Z คือ photon ไม่มีมวล ส่วนอนุภาค W+, W- และ Z มีมวลค่อนข้างมาก
ในเวลาต่อมา คำทำนายทั้งหลายของ Salam, Weinberg และ Glashow ก็เป็นจริง เมื่อ Carlo Rubbia และ Simon Van der Meer พบอนุภาคทั้งสามที่ CERN ซึ่งเป็นศูนย์ปฏิบัติการนิวเคลียร์แห่งยุโรปที่ Geneva ในสวิสเซอร์แลนด์การค้นพบนี้ทำให้ Salam, Weinberg และ Glashow ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี1979 ส่วน Rubbia กับ Van der Meer ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1984
ในปี 1971 Martinus Veltman และ Gerard’t Hooft ได้ประสบความสำเร็จในการนำแนวคิดเรื่อง “renormalization group” มาใช้เพื่อทำทฤษฎี QFT ปราศจากค่าอนันต์ที่ระยะสั้นมากๆ คือเมื่อระยะทางเข้าใกล้ศูนย์ (ในกรณีที่อนุภาคเป็นจุด) เทคนิคนี้ระบุให้เห็นความแตกต่างระหว่างค่ามวลจริงและค่าประจุจริงกับค่ามวลในสมการกับค่าประจุในสมการทฤษฎี QFT จึงหวนกลับมาเป็นทฤษฎีฟิสิกส์ที่ดีมากอีกครั้งหนึ่ง ความสำเร็จของ Veltman กับ ‘t Hooft ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1999
ถึงปี 1973 David Politzer, David Gross และ Frank Wilczek ได้พัฒนาทฤษฎีสนาม Yang-Mills ต่อจนพบว่า เมื่ออนุภาคอยู่ใกล้กันมาก อนุภาคทั้งสองจะไม่มีอันตรกริยาเลย คือ เสมือนเป็นอิสระต่อกัน แต่เมื่ออนุภาคอยู๋ไกลกันมากอันตรกริยาจะเพิ่มค่ามหาศาล จนไม่มีอะไรในธรรมชาติจะแยกมันจากกันได้ นี่คือ ปรากฏการณ์ asymptotic freedom การค้นพบนี้ชี้นำว่า ทฤษฎี Yang-Mills ที่เคยใช้อธิบายอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า และอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนสามารถอธิบายอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็งได้ด้วย ทั้ง Politzer, Gross และ Wilczek ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2004 จึงเป็นว่า สนาม Yang-Mills สามารถอธิบายได้ว่า อนุภาคที่มีประจุถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าและสนามเหล็กได้อย่างไร อีกทั้งสามารถอธิบายได้ว่าอนุภาคหนึ่งเปลี่ยนเป็นอีกอนุภาคหนึ่งได้อย่างไร ดังกรณีอิเล็กตรอนเปลี่ยนเป็นนิวตริโน หรือโปรตอนเปลี่ยนเป็นนิวตรอนได้ โดยใช้อันตรกริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน ส่วนอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็งนั้นใช้สำหรับอธิบายพฤติกรรมของ quark ในโปรตอนและนิวตรอนโดยที่ quark มีประจุ +2/3e กับ -1/3e (eคือประจุของอิเล็กตรอน) เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างประจุไฟฟ้าที่มีค่า +e กับ -e quark ถูกกำหนดให้มีประจุสี (colour charge) ทฤษฎีอันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็งมีชื่อเรียกว่า quantum chromodynamics หรือ QCD ตามคำ chromos ในภาษากรีกที่แปลว่า สี)
ในปี 1974 นักฟิสิกส์ที่ Brookhaven National Laboratory และที่ Stanford Linear Accelerator Center พบอนุภาค J/W ซึ่งเป็นอนุภาคชนิดใหม่ที่แสดงให้เห็นว่า ธรรมชาติยังมี quark ชนิดใหม่ชื่อ charm นอกเหนือจาก up, down และ strange การค้นพบนี้ทำให้ Samuel Ting กับ Burton Richter ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1976
ในเวลาต่อมาการศึกษาการสลายตัวของอนุภาค KL meson แสดงว่า ธรรมชาติน่าจะมี quark อีก 2 ชนิด ชื่อ top กับ bottom เมื่อนักฟิสิกส์ทฤษฎีหวนกลับไปดูทฤษฎีสนาม Yang-Mills กับสนาม Higgs สมบัติสมมาตรของทฤษฎีระบุชัดเจนว่า ถ้า quark มี 6 ชนิดจริง lepton ก็ต้องมี 6 ชนิดเช่นกัน ถึงปี 1978 Martin Perl ก็พบ tau lepton ส่วน quark ชนิด bottom นั้นพบในปี 1977 และ quark ชนิด top พบในปี 1995
ภาพโครงสร้างของสสารทุกชนิดในเอกภพใน Standard Model จึงประกอบด้วย
| quark | lepton |
| ในสสารทั่วไป down up | electron electron neutrino |
| ในสสารที่พลังงานสูงstrange charm bottom top | muon muon neutrino tau tau neutrino |
| อันตรกริยา electroweak | สื่อที่ใช้ คือ photon W+, W- , Z |
| อันตรกริยานิวเคลียร์อย่างแข็ง | สื่อที่ใช้คือ gluon |
อนุภาคทั้งหลายนี้ นักทดลองได้พบ และวัดสมบัติของมันครบถ้วนแล้ว แต่มีอีกหนึ่งอนุภาคที่ยังไม่มีใครพบ นั่นคือ อนุภาค Higgs ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของมวลต่างๆ ดังนั้น ซึ่งถ้าพบ ทฤษฎีที่นักฟิสิกส์เรียกว่า Standard Model นี้ก็จะสมบูรณ์ทันที
ดังนั้นเมื่อ LHC พบ Higgs จริงๆ ก้าวต่อไปของการทดลอง คือจะต้องมีการเพิ่มพลังงานของโปรตอนในเครื่องเร่ง LHC ให้สูงขึ้นไปอีก เพื่อค้นหาอนุภาคชนิดใหม่ๆ ที่จะปรากฎที่พลังงานสูงมากๆ เพื่อใช้ตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎี supersymmetry ค้นหามิติที่ 5-11 ซึ่งยังไม่มีใครเคยเห็น ค้นหาสสารมืด และศึกษาธรรมชาติของอันตรกริยาโน้มถ่วงที่พลังงานสูงมากซึ่งจะนำไปสู่ Theory of Everything ในที่สุด
อ่านเพิ่มเติมจาก The Rise of the Standard Model: a History of Particle Physics from 1964 to 1979 โดย L. Brown Hoddeson, M. Riordan and M. Dresden จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 1997
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
