ความสำคัญของการวัดความกลมของอิเล็กตรอน

สถานภาพของวิชาฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบันยังไม่เป็นที่น่าพอใจนัก เพราะแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model SM) ที่มี แม้จะสามารถอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานทุกชนิด และอันตรกริยา (แรง) ที่มีในธรรมชาติได้หมด (ยกเว้นอันตรกริยาโน้มถ่วง) แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายที่มาของสสารมืด (dark matter) พลังงานมืด (dark energy) หรือแม้แต่การที่เอกภพมีสสารในปริมาณที่มากกว่าปฏิสสาร (antimatter) ได้

SM เป็นทฤษฎีสนามควอนตัมที่ตั้งอยู่บนความคิดพื้นฐานว่าอนุภาคแต่ละชนิดที่มีในเอกภพเกิดจากการกระตุ้นเชิงพลังงานของสนามที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับอนุภาคนั้น เช่น photon เป็นอนุภาคที่ใช้ในอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า อนุภาค W⁺, W^- และ Z เป็นอนุภาคที่ใช้ในอันตรกริยาอย่างอ่อน ตลอดจนถึง gluon ซึ่งเป็นอนุภาคที่ใช้ในอันตรกริยาอย่างแข็ง เป็นต้น แต่ SM ก็ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใด เอกภพจึงต้องมีสสารมืด ทั้งๆ ที่สสารชนิดนี้แสดงว่ามี สมบัติของอันตรกริยาโน้มถ่วง แต่มิได้ประกอบด้วย quark หรือ lepton ซึ่งเป็นสสารที่นักฟิสิกส์รู้จักกันดี ณ วันนี้ คนส่วนมากจึงคิดว่า สสารมืด ประกอบด้วยอนุภาคชนิดใหม่ที่ไม่มีใครรู้จัก คือ อาจจะเป็น axion หรือ WIMP (weakly interacting massive particle)

นอกจากสสารมืดแล้ว SM ก็ยังไม่สามารถอธิบายที่มาของพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานที่มีค่ามากมหาศาล จึงสามารถขับเคลื่อนเอกภพให้ขยายตัวด้วยความเร่งได้ สำหรับที่มาของพลังงานมืดนั้น นักฟิสิกส์หลายคนอ้างถึง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ที่มีค่าคงตัวจักรวาล (cosmological constant) ^ ซึ่งมีสมบัติเดียวกับพลังงานมืด แต่ในขณะเดียวกัน ทฤษฎีควอนตัมของสนามก็มีพลังงานสุญญากาศ (vacuum energy) ที่อาจเชื่อมโยงกับ ^ ได้ แต่ปรากฏว่า พลังงานสุญญากาศที่ว่านี้มีค่ามากกว่า ^ ถึง 10¹²⁰ เท่า ดังนั้น ^ จึงไม่เกี่ยวข้องกับพลังงานสุญญากาศ เมื่อเป็นเช่นนี้ทุกคนก็คาดหวังว่า ทฤษฎีใหม่ที่เรียกว่า ทฤษฎี quantum gravity ซึ่งได้จากการรวมทฤษฎี quantum กับทฤษฎี gravity จะสามารถอธิบายที่มาของพลังงานมืดได้

ข้อบกพร่องอีกประการหนึ่งของ SM คือยังไม่สามารถอธิบายสาเหตุที่เอกภพมีสสาร (matter) ในปริมาณที่มากกว่า ปฏิสสาร (antimatter) เพราะหลังจากที่เกิด Big Bang ใหม่ๆ พลังงาน E ที่มีใน Big Bang จะถูกเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคที่มีมวล m ตามสมการ E = mc² ดังนั้นเมื่อถือกำเนิดใหม่ๆ เอกภพ ต้องมีสสารในปริมาณเท่ากับปฏิสสารพอดี จากนั้นเอกภพได้เย็นตัวลง อนุภาคต่างๆ พุ่งชนกัน และทำลายกัน (สสาร+ปฏิสสารจะได้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) แต่ปรากฏว่าเอกภพกลับมีอนุภาคที่เป็นสสารปริมาณหนึ่งที่ไม่ถูกทำลาย และได้กลายมาเป็นเอกภพดังที่เราเห็นในทุกวันนี้

สาเหตุของการเกิดความอสมมาตร (asymmetry) ระหว่างสสารกับปฏิสสาร จึงเป็นปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบ

กระนั้นนักฟิสิกส์บางคนก็อ้างว่า เอกภพที่ประกอบด้วยปฏิสสารล้วนๆ อาจแยกตัวไปจากเอกภพของสสารล้วนๆ จนเราไม่เห็น แต่การตอบเช่นนี้ก็จะนำมาซึ่งคำถามต่อไปว่า อะไรทำให้เอกภพของสสาร และเอกภพของปฏิสสารแยกจากกัน และถ้าเอกภพของสสารกับเอกภพของปฏิสสารมาสัมผัสกันตรงบริเวณรอยต่อระหว่างเอกภพทั้งสอง การทำลายล้างที่เกิดขึ้นย่อมจะปรากฏออกมาให้นักดาราศาสตร์เห็นบ้าง แต่ก็ยังไม่มีใครเห็นเหตุการณ์นี้เลย ดังนั้นทฤษฎี SM ก็ยังไม่สามารถอธิบายสาเหตุของความไม่สมมาตรนี้ได้อีกเช่นกัน

ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงมีความเห็นพ้องกันว่า ในการจะอธิบายเหตุการณ์นี้ได้ เอกภพจะต้องมีอนุภาคชนิดใหม่ หรือจะต้องมีอันตรกริยาชนิดใหม่ ซึ่งอาจจะพบเห็นได้ในเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN เมื่อได้เร่งอนุภาคโปรตอนและแอนติโปรตอนที่มีพลังงานสูงขึ้นมากให้มาชนกัน

แต่ LHC เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่มากและมีราคาแพงมาก อีกทั้งเป็นอุปกรณ์ที่ต้องการกำลังนักวิชาการนับหมื่นจากหลายประเทศทั่วโลกมาทำงานร่วมกัน นักฟิสิกส์หลายคนจึงมีความเห็นว่า การต่อเติมหรือดัดแปลงทฤษฎี SM ปัจจุบัน อาจทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่า LHC มาก และถ้าทำได้สำเร็จ เราก็อาจตอบคำถามเรื่อง ความอสมมาตรระหว่างสสารกับปฏิสสารได้ ในการตอบคำถามประเด็นนี้ นักฟิสิกส์มีการทดลองหนึ่งที่หลายคนคิดว่าสามารถจะให้คำตอบสำหรับเรื่องนี้ได้ นั่นคือ โดยการวัดค่า electric dipole moment (EDM) ของอิเล็กตรอน เพราะ SM ทำนายว่า EDM ของอิเล็กตรอนจะมีค่าเป็นศูนย์ แต่ถ้า electron มีค่า EDM แม้จะน้อยนิด ค่าที่ได้ก็อาจจะเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ปริมาณสสารกับปฏิสสารไม่สมมาตรกันได้

นักวิทยาศาสตร์ได้รู้จักอิเล็กตรอนมานานกว่า 120 ปีแล้วคือ ตั้งแต่ปี 1897 เมื่อ Joseph John Thomson แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษ ได้ทดลองใช้หลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube CRT) ซึ่งเป็นหลอดที่มีปลายปิดทั้งสองข้างและภายในเป็นสุญญากาศ โดยมีปลายข้างหนึ่งของหลอดเป็นขั้วลบ (cathode) และปลายอีกข้างหนึ่งเป็นขั้วบวก (anode) Thomson ได้พบว่าเมื่อนำหลอดไปต่อคร่อมเซลล์ไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูง จะมี “รังสี” พุ่งออกจากขั้วลบไปสู่ขั้วบวก ครั้นเมื่อเขาเจาะรูตรงกลางที่แผ่นกระดาษ เพื่อให้ “รังสี” สามารถทะลุผ่านไปได้ แล้วนำสนามแม่เหล็ก และสนามไฟฟ้ามากระทำ ก็ได้พบว่า “รังสี” มีประจุลบ และอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของ “รังสี” มีค่าเท่ากันเสมอ ไม่ว่าจะใช้ขั้วแคโทดที่ทำด้วยธาตุอะไรก็ตาม

Thomson จึงสรุปว่า สิ่งที่เห็นเป็นอนุภาค มิใช่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือรังสี เพราะเวลามีสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กมากระทำ ทิศการเคลื่อนที่ของรังสีจะเบน นอกจากนี้อนุภาคที่เห็นก็เป็นองค์ประกอบหนึ่งที่ต้องมีในอะตอมของธาตุทุกชนิด และมีมวลน้อยกว่าอะตอมไฮโดรเจนประมาณ 2,000 เท่า

ในเวลาต่อมา “อนุภาค” ของ Thomson ได้รับการตั้งชื่อว่า electron ตามชื่อที่ J. Stoney ได้เคยเสนอไว้ในการค้นหาอนุภาคที่มีประจุและแฝงอยู่ในสสาร ก่อนที่ Thomson จะเริ่มการทดลองของตนเองประมาณ 5 ปี

การพบอิเล็กตรอนทำให้ Thomson ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1906

แม้วันเวลาจะผ่านไปนานกว่าหนึ่งศตวรรษก็ตาม แต่โลกก็ยังไม่รู้ธรรมชาติที่แท้จริงของอิเล็กตรอน เช่น ยังไม่มั่นใจว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานหรือไม่ และถ้าไม่เป็น มันจะต้องสลายตัวให้อนุภาคอื่นที่มีมวลน้อยกว่า อีกทั้งต้องการจะรู้ด้วยว่ามันมีรูปทรงเช่นไรด้วย จากที่เคยสมมติว่าเป็นจุด คือไม่มีขนาดใดๆ แต่ทุกคนก็รู้ว่ามันมีมวล สมมติฐานและความจริงเช่นนี้จึงเป็นเรื่องที่ขัดกับสามัญสำนึกของคนทั่วไป

สำหรับกรณีการสลายตัวของอิเล็กตรอนนั้น ในปี 2016 ทีมฟิสิกส์แห่งห้องปฏิบัติการ Gran Sasso ในอิตาลีได้ตรวจสอบเรื่องนี้ และได้ผลว่า อิเล็กตรอนมีอายุขัยอย่างน้อย 66,000 yottayears (1 yottayear นาน 10²⁴ ปี) ซึ่งนับว่านานกว่าอายุของเอกภพประมาณ 1018 เท่า ข้อมูลนี้จึงแสดงว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีความเสถียรระดับอมตะนิรันดร์กาล แต่ในอนาคตถ้ามีการพบว่า อิเล็กตรอนสลายตัวได้ และให้อนุภาคที่มีมวลน้อยกว่าอิเล็กตรอน ซึ่งอาจจะเป็น electron neutrino โดยมีอนุภาค photon พลังงาน 256,000 eV (electron volt) ออกมาด้วย อนุภาค photon นี้จะทำให้หลอด photomultiplier เปล่งแสง แต่การทดลองเรื่องนี้มิได้ให้ photon และ electron neutrino เลย ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงยังคงสภาพเป็นอนุภาคมูลฐานต่อไป

สำหรับประเด็นเรื่องรูปทรงของอิเล็กตรอนนั้น ทั้งนักฟิสิกส์ทฤษฎีและนักฟิสิกส์ทดลองต่างก็ได้เสนอทฤษฎีและออกแบบอุปกรณ์ทดลอง เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีที่นำเสนอ เช่น ถ้าอิเล็กตรอนมีรูปลักษณ์เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ 100% คือกลมดิกโดยมีรัศมีที่ยาวเท่ากันในทุกทิศทาง ตามแบบจำลองมาตรฐาน (Standard model) นั้นอิเล็กตรอนจะต้องไม่มี โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า (electric dipole moment) คือมีค่าไม่เกิน 10^-39 คูลอมป์ เซนติเมตร แต่ถ้าอิเล็กตรอนมีรูปทรงเป็นรูปไข่ อิเลกตรอนก็จะมี EDM

ตลอดเวลา 30 ปีที่ผ่านมานี้ นักวิจัยได้ทดลองวัดความกลมของอิเล็กตรอน และพบว่า บิดเบี้ยวไปไม่เกิน 1 ส่วนจาก 1027 ส่วนในกรณีระยะทางที่ยาว 1 มิลลิเมตร อิเล็กตรอนจึงมีขนาด แม้จะไม่เล็กจนเป็นจุด แต่เนื้อประจุลบก็อยู่กระจัดกระจายในตัวของมันอย่างสม่ำเสมอ

แต่ถ้ามีการวัดค่า EDM ได้ นั่นแสดงว่าทฤษฎี SM ก็จะต้องมีการปรับเปลี่ยน เช่น เอกภพจะต้องมีจำนวนอนุภาคมูลฐานมากชนิดขึ้น และอาจจะมีอันตรกริยาชนิดใหม่ด้วย

ถึงวันนี้ยังไม่มีใครรู้ค่า EDM ของอิเล็กตรอนว่าควรมีค่าเท่าไร นักฟิสิกส์จึงได้พยายามวัดค่านี้ในอะตอม และในโมเลกุลที่เป็นกลาง เพราะสนามไฟฟ้าที่มีในอะตอม และโมเลกุลมีความเข้มสูงมากกว่าสนามไฟฟ้าที่มาจากภายนอก การติดตามดูการส่ายควงของ spin ของอิเล็กตรอนรอบทิศของสนามไฟฟ้า สามารถบอกค่า EDM ได้

ในรายงานที่ลงพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับเดือนตุลาคมที่ผ่านมา Eric Cornell กับคณะที่มหาวิทยาลัย Colorado ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้ไอออนของสารประกอบ hafnium fluoride เป็นสารทดลอง แล้วส่งสนามไฟฟ้าที่มีทิศของสนามหมุนไปรอบๆ แกนตลอดเวลา ทำให้ไอออนหมุนไปรอบแกนเป็นวงกลมด้วย เทคนิคนี้ทำให้นักฟิสิกส์มีเวลาวัดค่า EDM ได้นานขึ้นประมาณ 1,000 เท่าของเวลาเดิม ทีมวิจัยจึงคาดว่า ความสามารถในการวัดความกลมของอิเล็กตรอนจะมีความละเอียดมากขึ้น จนถึงระดับที่สามารถวัดความเบี่ยงเบนได้ไม่เกิน1 ส่วนจาก 10²⁸ ส่วนของระยะทาง 1 มิลลิเมตร และทุกคนก็หวังว่าความละเอียดจะเพิ่มขึ้นอีกมากในอนาคต

ด้านนักฟิสิกส์จากสถาบันวิจัยอื่นๆ ก็ได้ทดลองวัดค่า EDM โดยใช้อะตอมของ cesium และโมเลกุลของ ytterbium fluoride ซึ่งจะเพิ่มความละเอียดในการวัดความกลมจากเดิมถึง 1,000 เท่า ในอนาคตอีก 5 ปี

ล่าสุดในการทดลองของนักวิจัยที่มหาวิทยาลัย Harvard และ Yale ในสหรัฐอเมริกาซึ่งวัดค่า EDM ของอิเล็กตรอนได้น้อยกว่า 9.3x10^-29 คูลอมป์.เซ็นติเมตร นั่นแสดงว่า ถ้าอิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่เท่าโลก ค่า EDM ที่วัดได้นี้แสดงว่า เนื้อของประจุจะกระจายอยู่ที่ขั้วของอิเล็กตรอนเป็นระยะทางไม่เกิน 20x10^-9 เมตร (20 นาโนเมตร)

อ่านเพิ่มเติมจาก “Probing the frontiers of particle physics with tabletop-scale experiment” โดย D. Demille และคณะในวารสาร Science ฉบับเดือนกันยายน ปี 2017

เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์