Rudyard Kipling (1865-1936) ซึ่งเป็น นักประพันธ์ชาวอังกฤษ ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาวรรณกรรมประจำปี 1907 ได้เคยเขียนหนังสือเรื่อง “Just So Stories” เมื่อปี 1902 ให้เยาวชนอ่าน เพื่อกระตุ้นให้สนใจศึกษาธรรมชาติ ให้รู้จักตั้งคำถาม และให้พยายามหาคำตอบด้วยเหตุผลและหลักฐาน เช่น Kipling ได้ถามว่า เหตุใดอูฐจึงมีโหนกที่หลัง เหตุใดช้างจึงมีงวง และเหตุใดเสือดาวจึงมีจุดเต็มตามตัว เป็นต้น
นักฟิสิกส์เองก็มีคำถามมากมายให้ทั้งเด็กและผู้ใหญ่หาคำอธิบายมาตอบเช่นกัน ว่า เหตุใดอนุภาคมูลฐาน (อนุภาคที่เราไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก) บางตัวจึงมีประจุบวก เหตุใดประจุของอนุภาคบางตัวจึงเป็นลบ และบางตัวเป็นศูนย์ ตลอดจนถึงเหตุใดอนุภาคต่าง ๆ จึงมีมวลที่แตกต่างกันมาก และหลังจากที่เกิด Big Bang เพียงเล็กน้อย สถานการณ์ของเอกภพเป็นเช่นไร เป็นต้น
สำหรับข้อสังเกตเรื่องความแตกต่างระหว่างมวลของอนุภาคนั้น เพราะเรามีอิเล็กตรอนที่มีมวล 9.1x10^(-31) กิโลกรัม ซึ่งถ้าคิดในหน่วยพลังงาน โดยใช้สูตร E=mc^2 ก็จะได้มวลของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 51 MeV/c^2 (M คือ mega = 10^6และ eV คือ electron volt) และมีประจุลบ มีโปรตอน ซึ่งมีมวล 1.67x10^(-27) กิโลกรัม ดังนั้นถ้าคิดมวลให้มีหน่วยเป็นพลังงาน ก็จะได้ว่า โปรตอนมีมวล 938.3 MeV/c^2 คือ มากกว่าอิเล็กตรอนถึง 1,836 เท่า และมีประจุบวก
ส่วนอนุภาค Higgs boson ที่ Peter Ware Higgs (1929–2024) เมื่อปี 1964 ได้เสนอความคิดว่าธรรมชาติมีอนุภาคชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นอนุภาคของสนาม Higgs ที่ทำให้อนุภาคต่าง ๆ มีมวล เพราะอนุภาคเหล่านั้น ต่างก็มีอันตรกิริยากับอนุภาค Higgs และในปี 2012 ทีมนักวิทยาศาสตร์จากหน่วยวิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป (CERN) จากคำเต็ม European Organization for Nuclear Research ได้พบว่าอนุภาค Higgs มีมวล 2.23x10^(-25) กิโลกรัม หรือ 125 GeV/c^2 (1 GeV=10^9eV) และอนุภาคนี้มีประจุเป็นศูนย์ คือ เป็นกลาง
ดังนั้น เพื่อจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพของมวลอนุภาคต่างๆ ถ้าเราให้อิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับกระรอก 1 ตัว โปรตอนก็จะมีมวลเท่ากับม้า 1 ตัว และอนุภาค Higgs ก็จะมีมวลเท่ากับวาฬสีน้ำเงิน ซึ่งการเห็นอนุภาค Higgs ก็ได้ทำให้นักฟิสิกส์ทุกคนรู้สึกตื่นเต้นมาก เพราะจากเดิมที่ได้เคยเห็นและเคยพบแต่กระรอกกับม้า แล้วอยู่มาวันหนึ่ง ก็ได้เห็นวาฬสีน้ำเงินเป็นครั้งแรก
ครั้นเมื่อเราได้เรียนวิทยาศาสตร์ถึงขั้นสูงขึ้นไปอีก ก็ได้รู้เพิ่มอีกว่าโปรตอนและนิวตรอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมทุกชนิด ประกอบด้วยอนุภาค quark ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานหลายชนิดที่มาอยู่รวมกัน
อนุภาค quark มีทั้งหมด 6 ชนิด ชื่อว่า top, bottom, strange, charm, down และ up โดย quark ชนิด top เป็น quark ที่มีมวลมากที่สุด อีกทั้งสลายตัวภายในเวลาที่รวดเร็วมากด้วย คือ มีชีวิตอยู่ได้นานไม่เกิน 5x10^(-25) วินาที จึงมีชีวิตที่สั้นมากจนทำให้การวิเคราะห์สมบัติต่าง ๆ ของมันเป็นไปได้ยาก
ในปี 1995 ที่ห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ Fermilab รัฐ Illinois ในสหรัฐอเมริกา นักทดลองที่นั่นได้ “เห็น” quark ชนิด top เป็นครั้งแรก แต่ไม่ได้ศึกษาสมบัติของมันว่า เวลาสลายตัวจะให้อนุภาคอะไรบ้าง และมันมีมวลที่แท้จริงเป็นเท่าไร
จนอีก 29 ปีต่อมา คือ ในปี 2024 นักฟิสิกส์ที่ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ที่ CERN ซึ่งมีความพร้อมในการทดลองยิ่งกว่า ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ยิงไอออนของตะกั่ว-208 ให้พุ่งชนกัน ทำให้ quark ทุกอนุภาคนับพันตัวที่มีอยู่ในไอออนของตะกั่วทั้งสอง มีอันตรกิริยาต่อกัน จนทำให้เกิดสสารชนิดใหม่ที่เรียกว่า quark-gluon plasma เพราะสสารนี้ประกอบด้วยอนุภาค quark และ gluon (gluon คือ อนุภาคที่ quark ใช้เป็นสื่อในการทำให้เกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างรุนแรง) และอนุภาคทั้งหมดมีประจุ ซึ่งจะอยู่ปะปนกันในลักษณะเป็นซูป (soup) และเป็นสสารชนิดใหม่ที่ไม่มีในธรรมชาติธรรมดา แต่อาจจะพบเห็นได้ในสถานการณ์พิเศษที่เกิดขึ้นหลัง Big Bang ประมาณ 10^(-6) วินาที
การได้ศึกษาธรรมชาติของสสารที่มีสมบัติแปลก ประหลาด และมหัศจรรย์นี้ จึงเป็นข่าวใหญ่ที่ได้ทำให้นักฟิสิกส์ทุกคนรู้สึกตื่นเต้นมาก
สำหรับมวลของอนุภาค quark ชนิด top ที่เกิดขึ้นนั้น มีค่า 172.5 GeV/c^2 จึงเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลมากที่สุดที่นักฟิสิกส์รู้จัก (หนักกว่านิวเคลียสของทองคำ)
และเมื่อเราให้อนุภาค Higgs boson มีมวลเท่ากับมวลของวาฬสีน้ำเงิน เราก็จะได้ว่าอนุภาค quark ชนิด top มีมวลเท่าไดโนเสาร์ Tyrannosaurus rex (T.rex)
ในอนาคต เมื่อ CERN มีเครื่องเร่งอนุภาค FCC (Future Circular Collider) ที่มีโครงสร้างเป็นวงกลม ที่มีเส้นรอบวงยาว 100 กิโลเมตร และติดตั้งอยู่ที่บริเวณพรมแดนระหว่างฝรั่งเศสกับสวิสเซอร์แลนด์ เพื่อสร้างอนุภาค supersymmetry sparticle ที่มีมวลตั้งแต่ 300 GeV/c^2 ขึ้นไป นักฟิสิกส์ก็หวังว่าจะได้เห็นสัตว์อสูรชื่อ Godzilla เป็นครั้งแรกในปี 2040
สำหรับประวัติความเป็นมาของการพบองค์ความรู้ที่ว่าโปรตอนกับนิวตรอนมี quark เป็นองค์ประกอบนั้น มีดังนี้
ตั้งแต่เริ่มเรียนวิทยาศาสตร์ เราได้เรียนรู้มาโดยตลอดเวลาว่า สรรพสิ่งทุกชนิดในเอกภพประกอบด้วยอะตอม และอะตอมเป็นสิ่งที่มนุษย์แบ่งแยกไม่ได้ (ดังนั้นความรู้นี้ จึงได้หมดอายุการใช้งานไปตั้งนานแล้ว) และอะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าลงไปอีก คือ นิวเคลียสกับอิเล็กตรอน
ในกรณีร่างกายของคนที่ประกอบด้วยเซลล์มากมายหลายล้านล้านเซลล์ แต่ละเซลล์ยังประกอบด้วย nucleus, mitochondria, ribosome, Golgi apparatus ฯลฯ ซึ่งต่างก็ประกอบด้วยโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างชนิด และอะตอมแต่ละชนิดยังมีสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์ที่แตกต่างกันอีกด้วย ณ เวลานั้นอะตอมจึงดูเสมือนเป็นหน่วยเล็กที่สุดของสรรพสิ่ง
จนกระทั่งปี 1914 Ernest Rutherford (1871–1937) ได้พบว่า นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอะตอมที่มีโครงสร้างง่ายที่สุด คือ มีอนุภาคประจุบวกอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ Rutherford จึงตั้งชื่อนิวเคลียสของไฮโดรเจนว่า proton
ดังนั้นจากสูตรนี้ เราจะเห็นว่าอนุภาคนิวตรอนจะไม่มีโมเมนต์แม่เหล็ก เพราะนิวตรอนไม่มีประจุ คือ ประจุ e ของมันมีค่าเป็นศูนย์ แต่ในการทดลองจริง นักวิทยาศาสตร์กลับได้พบว่า นิวตรอนมีโมเมนต์แม่เหล็ก ด้านโปรตอนที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก เมื่อมีการแทนค่ามวล m ของโปรตอนลงในสูตร กลับได้ค่าโมเมนต์แม่เหล็กที่มากกว่าค่าที่วัดได้จากการทดลองมาก
ความแตกต่างระหว่างค่าที่ได้จากการทดลองกับทฤษฎีเช่นนี้ ได้ทำให้ Murray Gell-Mann (1929–2019) ตระหนักได้ว่า โปรตอนและนิวตรอน มิใช่อนุภาคมูลฐานอีกต่อไป เพราะประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าลงไปอีก ซึ่ง Gell-Mann เรียกว่า ควาร์ก (quark)
ในเบื้องต้น Gell-Mann คิดว่า ควาร์กมี 3 ชนิด คือ ชนิด up, down และ strange (สัญลักษณ์ u,d,s ตามลำดับ)
ผลงานนี้ทำให้ Gell-Mann ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1969
จากนั้นการทดลองในเวลาต่อมา ได้ทำให้นักฟิสิกส์พบ quark เพิ่มอีก 3 ชนิด คือ charm (ปี 1974) bottom (1977) และ top (1995) ดังนั้นเวลาอนุภาค quark เคลื่อนที่ไปใน proton และ neutron ประจุไฟฟ้าที่มีในตัว quark จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลวน ซึ่งจะมีผลทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็ก ดังนั้นเมื่อรวมโมเมนต์แม่เหล็กย่อย ๆ ทั้งหมด ก็จะได้ค่าโมเมนต์แม่เหล็กลับตรงตามที่นักทดลองวัดได้จริง
การศึกษาสมบัติต่างๆ ของ quark จึงเป็นเรื่องร้อนที่ต้องศึกษาเรื่องต่อไป
ในปี 1973 David Gross (1941-ปัจจุบัน) Frank Wilczek (1951-ปัจจุบัน) และ David Politzer (1949-ปัจจุบัน) ได้เสนอทฤษฎี Quantum Chromodynamics (QCD) เรื่อง Asymptotic Freedom ที่มีใจความสำคัญว่า เวลาอนุภาค quark อยู่ใกล้กัน มันจะประพฤติตัวเสมือนว่าเป็นอนุภาคอิสระ แต่เวลาอยู่ห่างไกลกัน มันจะมีอันตรกิริยาดึงดูดกันอย่างรุนแรง จนทำให้เราไม่สามารถจะแยก quark ออกมาเป็นอิสระได้ ทฤษฎี Asymptotic Freedom นี้ ได้ทำให้นักฟิสิกส์ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2004 ร่วมกัน
ทฤษฎี QCD ยังได้กล่าวถึงอันตรกิริยาระหว่าง quark ว่า เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon กัน และ gluon ในธรรมชาติมีทั้งหมด 8 ชนิด ส่วน quark ชนิด up นั้น มีประจุ +2e/3 เมื่อ e คือ ประจุของอิเล็กตรอน และ quark ชนิด down มีประจุ
-1e/3
การมีความรู้เรื่ององค์ประกอบทั้งหมดของโปรตอน ได้ทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า โปรตอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 0.84-0.87 femtometer (1 femtometer = 10^(-15) เมตร) และมวลส่วนน้อย 1% มาจาก quark ชนิด u, u และ d ส่วนที่เหลือมาจาก gluon และอันตรกิริยาที่มีในทฤษฎี QCD
โดยสรุปจึงเป็นว่า องค์ความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของโปรตอน ตั้งแต่ปี 1914 เป็นต้นมา จนถึงปัจจุบัน มีดังนี้
(1) ขณะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ช้า โปรตอนมีพลังงานจลน์ต่ำ รูปทรงของโปรตอนจะมีลักษณะเป็นทรงกลม มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ = 10^(-15) เมตร มีประจุ (+1)e และมีโมเมนตัมเชิงมุม หรือ spin=1/2 ซึ่งถ้ามองไปตามแกนหมุน โปรตอนจะหมุนรอบตัวเองในทิศตามเข็มนาฬิกา
(2) ครั้นเมื่อถึงต้นยุค 1960 นักฟิสิกส์ได้พบว่า โปรตอนประกอบด้วยอนุภาค quark ชนิด up 2 อนุภาค และชนิด down 1 อนุภาค โดย quark แต่ละอนุภาคมี spin = ½
(3) ในปลายทศวรรษของปี 1960 ทฤษฎี QCD ระบุว่า มีแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่าง quark ซึ่งเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon กัน โมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของ quark ทำให้ proton มีโมเมนต์แม่เหล็กตามค่าที่วัดได้ ทฤษฎี QCD ยังระบุอีกว่า สนามของอนุภาค gluon ยังสามารถทำให้เกิด quark และ antiquark เป็นคู่เสมือนก็ได้ และคู่ quark เสมือนนี้จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็ว
(4) ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่า proton มีโครงสร้างที่ยุ่งเหยิงและสลับซับซ้อนมาก เพราะตลอดเวลาจะมีคู่อนุภาคและปฏิยานุภาคมากมาย เช่น มีคู่ quark ชนิด anti-up กับ quark ชนิด up หรือมีคู่ quark ชนิด anti-down กับ quark ชนิด down
ด้วยเหตุนี้ ภายในโปรตอนจึงมีสภาพเสมือนว่าเป็นทะเลของอนุภาคควาร์กกับ gluon ด้วยเหตุนี้นักฟิสิกส์จึงเรียกทะเลนี้ว่า quark-gluon plasma
โดยอนุภาคทั้งหลายเหล่านี้ จะแสดงบทบาทในอันตรกิริยาที่แตกต่างกัน เช่น
ที่พลังงานต่ำ quark กับ quark จะมีอันตรกิริยาต่อกัน
ที่พลังงานปานกลาง อันตรกิริยาจะเกิดขึ้นระหว่าง quark กับ gluon
และ ที่พลังงานสูงมาก เราจะเห็นแต่อันตรกิริยาระหว่าง gluon กับ gluon เท่านั้น
โดยพลังงานที่สูงมากนี้ คือ พลังงานที่มีค่าตั้งแต่ 1 TeV ขึ้นไป (TeV หรือ teraelectronvolt , 1 TeV=10^12 eV = ล้านล้าน eV) เป็นสถานะของพลังงาน ที่สามารถจะพบเห็นได้ขณะเอกภพเริ่มถือกำเนิด เพราะมีอุณหภูมิและความดันค่าสูงระดับอนันต์เท่านั้น อันเป็นสถานการณ์ที่สามารถพบเห็นได้หลังเหตุการณ์ Big Bang เพียงเล็กน้อย
ทฤษฎี QCD ยังได้พยากรณ์อีกว่า อันตรกิริยาระหว่าง gluon จะทำให้เกิดอนุภาค quark ชนิด top และ quark ชนิด anti-top คือ อันตรกิริยาระหว่าง gluon กับ gluon (g + g) จะได้ quark ชนิด top กับ quark ชนิด anti-top แล้ว top quark (t) จะสลายตัวให้ W boson กับ quark ชนิด bottom หรืออาจจะให้ dark matter, dark energy หรือ dark photon ก็ได้
ดังนั้นการที่ห้องปฏิบัติการ CERN สามารถสร้างอนุภาค top quark ได้ในปริมาณมากเช่นนี้ จึงเป็นหนทางที่จะช่วยนักฟิสิกส์สามารถยืนยันหรือหักล้างคำพยากรณ์ของทฤษฎี QCD ได้ คือ อาจจะพบฟิสิกส์ในรูปแบบใหม่ ที่ไม่มีใครเคยศึกษามาก่อนก็ได้
นั่นก็คือเหตุการณ์ที่ห้องปฏิบัติการ CERN ได้กระทำเมื่อปลายปี 2024 โดยได้ยิงไอออนของตะกั่ว-208 (Pb-208) ให้พุ่งชนกันในเครื่องเร่งอนุภาค LHC เพื่อให้เห็นเหตุการณ์หลัง Big Bang เพียง 10^(-6) วินาที เพราะมี quark-gluon plasma เกิดก่อนที่อะตอมตัวแรกของเอกภพจะถือกำเนิดเสียอีก
ไอออนของ Pb-208 มีโปรตอน 82 อนุภาค และมี neutron 126 อนุภาค และทุกอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 99.999999% ของความเร็วแสง จึงมีพลังงาน 5.36 TeV ขณะชนกัน อุณหภูมิของสสารที่เกิดใหม่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 5 ล้านล้านองศาเคลวิน
เพราะอุณหภูมิและความดันที่สูงมากเช่นนี้ จะทำให้อนุภาคโปรตอน และนิวตรอนในไอออนของตะกั่วกลายรูปไปเป็น quark-gluon soup เรียบร้อย โดยแต่ละอนุภาคสามารถจะเคลื่อนที่ได้อย่างเสรี เสมือนเป็นของเหลวยิ่งกว่าจะเป็นแก๊ส
นักทดลองได้คาดหวังว่า ในอนาคตจะมีการศึกษาหาโครงสร้างภายในของอนุภาค neutron อนุภาค meson และอาจจะศึกษาสมบัติของอนุภาคในทฤษฎี supersymmetry ด้วย การทดลองนี้จะเพิ่มพูนความเข้าใจในทฤษฎี QCD และทฤษฎี Quantum Gravity ตลอดจนได้เห็นสภาพของเอกภพ หลังจากที่เกิด Big Bang ได้ประมาณ 10^(-12) วินาทีด้วย
นั่นคือ แทนที่จะใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศส่องดูเหตุการณ์หลัง Big Bang เหมือนนักดาราศาสตร์ นักฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงก็สามารถจะ “เห็น” เหตุการณ์ Big Bang ได้ จากการดูการชนกันระหว่างไอออนของธาตุหนักก็ได้
อ่านเพิ่มเติมจาก Wang, Xin-Nian (2016). Quark–Gluon Plasma 5. World Scientific. Bibcode:2016qgpf.book.....W. doi:10.1142/9533. ISBN 978-981-4663-70-0.
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน- ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ"ได้ทุกวันศุกร์
½
