เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
หลังผ่านพ้นปีหนึ่งไปได้ ฉันเริ่มรู้สึกสนุกกับการเรียนฟิสิกส์และตั้งเป้าหมายว่าจะเลือกเรียนในคณะฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ขึ้นปีสองจึงต้องลงเรียนพื้นฐานวิชาฟิสิกส์อย่างเช่น กลศาสตร์ (mechanics), แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism), อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics), กลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) แถมด้วยพวกวิชาเลือกที่เป็นหัวข้อเฉพาะตามความสนใจของแต่ละคน เช่น วัสดุศาสตร์ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค จักรวาลวิทยา โดยรายวิชาในกลุ่มนี้จะมีให้ลงเรียนในเทอมไหนขึ้นอยู่กับอาจารย์ผู้สอน เราจึงต้องมาลุ้นกันอีกทีว่าจะมีอะไรให้เลือกลงในเทอมนั้นบ้าง อาจารย์ส่วนใหญ่จะสอนเป็นหัวข้อพิเศษที่ตรงกับงานวิจัยของแต่ละท่าน และลักษณะการเรียนจะเน้นไปด้านการวิจัย การอ่านบทความวิชาการ และพูดถกประเด็นแลกเปลี่ยนกันลงลึกในแต่ละหัวข้อ เพื่อเตรียมตัวเราเข้าสู่การเรียนต่อขั้นสูงในระดับปริญญาโทและเอกต่อไป นอกจากนี้ก็มีวิชาคณิตศาสตร์ที่เป็นพื้นฐานสำหรับใช้ในการคำนวณวิชาฟิสิกส์ขั้นสูง ยกตัวอย่างที่สำคัญก็มีวิชา Differential Equation และ Multivariable Calculus
ในขณะเดียวกันฉันได้เริ่มต้นทำงานวิจัยกับอาจารย์เจมส์ แบตแทต (James Battat) ควบคู่ไปด้วย ภายใต้ทุนวิจัยสำหรับนักศึกษาปีหนึ่งทุนเดิมอย่างต่อเนื่อง ฉันนำเนื้อหาจากการเรียนการสอนที่ได้รับในห้องเรียนมาประยุกต์ใช้และสร้างทักษะการทำวิจัย ส่วนความรู้ใหม่ ๆ ที่ได้จากการทำวิจัยก็ผันมาเป็นแรงบันดาลใจให้ฉันศึกษาเพิ่มเติมจนนำมาสู่ความสนใจในอาชีพการวิจัยเชิงฟิสิกส์ทดลองในที่สุด
แรกเริ่มที่ได้เข้าร่วมงานในแล็บฟิสิกส์ ฉันต้องเรียนรู้และทำความเข้าใจเกี่ยวกับการทดลองฟิสิกส์อนุภาคซึ่งเป็นการศึกษาฟิสิกส์ของส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสาร โดยเน้นการศึกษาคุณสมบัติของอนุภาค ด้วยการสร้างเครื่องมือที่มีความสามารถตรวจจับอนุภาคจิ๋วเหล่านั้น และนี่เป็นครั้งแรกที่ฉันได้เรียนรู้ว่าสสารนั้นแบ่งได้หลายแบบ สสารชนิดแรกที่เรารู้จักกันดีก็คือ สสารธรรมดา (normal matter) ที่สร้างขึ้นจากอนุภาคมูลฐาน เช่น อิเล็กตรอน อนุภาคประจุลบ โดยสสารนี้มีอยู่เพียงร้อยละ 5 ของสสารทั้งหมดในจักรวาล นั่นหมายความว่าทุกสิ่งที่มนุษย์เรารู้จักกันดีมีอยู่เพียงเท่านี้เอง ?!
สสารชนิดที่สองคือแฝดคู่ตรงข้ามของสสารทั่วไปที่เรียกว่า ปฏิสสาร (antimatter) สสารพวกนี้ประกอบมาจากปฏิอนุภาคซึ่งมีมวลเท่ากับอนุภาคที่เป็นคู่ของมัน แต่จะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าหรือแม่เหล็กที่ตรงกันข้าม เช่น โพซิตรอนที่มีประจุบวก นับเป็นปฏิอนุภาคที่คู่กับอิเล็กตรอน ตามทฤษฎีแล้วตอนเกิดบิกแบง (Big Bang) ได้มีการสร้างสสารและปฏิสสารขึ้นอย่างละเท่า ๆ กัน แต่ปัจจุบันกลับไม่มีปฏิสสารเหลืออยู่ จึงยังคงเป็นปริศนาที่เรียกว่า matter-antimatter asymmetry problem ทำให้เราต้องมานั่งศึกษาเจ้าอนุภาคเล็กจิ๋วนี้กันเพราะยังมีอีกมากมายหลายคำถามที่ยังหาคำตอบไม่ได้ และยังมีข้อสงสัยที่คำอธิบายเชิงฟิสิกส์ไม่อาจครอบคลุมได้ทั้งหมด
ส่วนสสารชนิดที่สามที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ายังคงมีอยู่โดยรอบมากถึงร้อยละ 27 ของสสารทั้งหมดในจักรวาลก็คือ สสารมืด (dark matter) สสารลึกลับที่ไม่สามารถปล่อยแสงได้ แต่ส่งแรงโน้มถ่วงที่มีผลต่อเอกภพของเรา องค์ประกอบและจุดกำเนิดของสสารมืดยังคงเป็นปริศนาทั้งในเชิงดาราศาสตร์และฟิสิกส์ ทุกวันนี้ยังไม่เคยมีใครตรวจจับมันได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามค้นหาวิธีการที่จะทำความรู้จักกับเจ้าสสารมืดนี้เพื่อนำไปไขความลับของจักรวาล โดยศึกษาสสารมืดผ่านการตรวจจับอนุภาคสมมติที่คิดว่าอาจเป็นองค์ประกอบของสสารมืด (dark matter candidate)
แต่ก่อนจะออกไปไกลถึงจักรวาล ฉันขอเริ่มอธิบายสสารที่ใกล้ตัวเราเสียก่อนว่าในสสารธรรมดาร้อยละ 5 นั้น ณ ขณะนี้เรารู้อะไรเกี่ยวกับพวกมันบ้าง สสารธรรมดาที่เรารู้จักกันดีที่สุด เช่น ตัวของเราเอง สิ่งของรอบตัวที่เราจับต้องได้ โลกของเรา รวมไปจนถึงวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศอย่างพวกดาวเคราะห์ กลุ่มแก๊สในเนบิวลา พวกนี้ประกอบขึ้นจากอะตอมที่มีหน่วยย่อยเป็นนิวเคลียส และอิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบนิวเคลียสก็ประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่แยกย่อยออกมาเป็นควาร์ก หนึ่งในอนุภาคมูลฐานหรืออนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งย่อยออกไปได้อีก ตามที่อธิบายไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน (standard model) ในส่วนของเฟอร์มิออนที่เป็นเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสารแบ่งออกเป็นควาร์กและเลปตอน ตามลักษณะการเกิดอันตรกิริยา
ควาร์กเป็นอนุภาคที่ทำอันตรกิริยาอย่างเข้ม (strong interaction) ซึ่งเป็นแรงพื้นฐานของธรรมชาติที่มีความเข้มมากที่สุดที่มีผลในระยะสั้น ๆ นี่คือเหตุผลที่นิวเคลียสมีความแข็งแรงมากและจับมันแยกจากกันยากมาก นี่คือสาเหตุที่ทำให้เราเดินไปมาได้แบบไม่แยกสลายเป็นชิ้น ๆ ! ควาร์กมีทั้งหมด 6 ชนิดด้วยกัน ชื่อว่า อัป (u), ดาวน์ (d), ชาร์ม (c), สเตรนจ์ (s), ท็อป (t), และบอตทอม (b) ทั้งนี้ชนิดของควาร์กนั้นแบ่งไปตามคุณสมบัติได้แก่ มวล ประจุไฟฟ้า และคุณสมบัติพิเศษ คือ สี (color charge) ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม
ควาร์กแต่ละชนิดก็จะมีความพิเศษแตกต่างกันไป ยกตัวอย่างเช่น อัปควาร์กกับดาวน์ควาร์กเป็นองค์ประกอบสำคัญของอะตอมของสสารรอบตัวเรา ที่ทุกคนรู้จักกันดีก็คือ โปรตอนซึ่งประกอบด้วยอัปควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว และนิวตรอนซึ่งประกอบไปด้วยดาวน์ควาร์กสองตัวและอัปควาร์กหนึ่งตัว ส่วนเจ้าท็อปควาร์กมีความโดดเด่นตรงที่มีมวลมหาศาลถึง 173 พันล้าน eV/c2 (อิเล็กตรอนโวลต์ต่อความเร็วของแสงกำลังสอง เป็นหน่วยวัดมวลของอนุภาคที่ได้มาจากสูตร E = mc2 ของไอน์สไตน์) เทียบเท่า 200 เท่าของโปรตอนหรือนิวตรอนแน่ะ ด้วยเหตุนี้อายุขัยของมันจึงสั้นมาก เพียงแค่ 5 x 10-25 วินาที ซึ่งสั้นกว่าเวลาที่แรงนิวเคลียร์ต้องใช้ในการ “ดึง” ควาร์กให้มารวมตัวกัน ทำให้มันสลายตัวไปก่อนที่จะเข้าสู่สถานะคงที่ได้ ในบรรดาควาร์กทั้งหมดฉันชอบเจ้าสเตรนจ์ควาร์กที่สุด มันมีความแปลกที่สมกับชื่อเลย โดยอนุภาคที่มีสเตรนจ์ควาร์กเป็นองค์ประกอบนั้นจะสลายตัวช้ากว่าใครเพื่อน ผ่านแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนแทนที่จะเป็นอย่างเข้ม
เลปตอนเป็นอนุภาคที่ทำอันตรกิริยาอย่างอ่อน (weak interaction) หรืออันตรกิริยาผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) ได้หากอนุภาคนั้นมีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอน มิวออน เทา ที่ล้วนมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ส่วนเลปตอนที่ไร้ประจุไฟฟ้าก็คือนิวทริโนทั้งสามรสชาติ อิเล็กตรอนนิวทริโน มิวออนนิวทริโน และเทานิวทริโน
ภาพแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ทฤษฎีที่ใช้อธิบายอนุภาคมูลฐานทุกชนิดและแรงพื้นฐานสามอย่าง (แม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์เข้ม และแรงนิวเคลียร์อ่อน ยกเว้นแรงโน้มถ่วงยังไม่รวมเข้ามาในที่นี้) โดยมีโฟตอน, กลูออน, W โบซอน และ Z โบซอนเป็นพาหะแรง ส่วนฮิกส์โบซอนทำหน้าที่ให้มวลแก่อนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมดนี้ใช้อธิบายหน่วยย่อยของสสารและปฏิสัมพันธ์ที่เรารู้จักในจักรวาล
ที่มาภาพ : PBS NOVA, Public Domain via Wikimedia Commons
เอาละ ได้ทำความรู้จักกับอนุภาคต่าง ๆ กันไปพอประมาณแล้ว ต่อไปฉันจะขอลงลึกไปยังเจ้าอนุภาคตัวโปรดที่ฉันขลุกอยู่กับมันมาตลอดเวลาสี่ปีในการทำวิจัยระดับปริญญาตรี มันคือ… “นิวทริโน” นั่นเอง ! นักฟิสิกส์เองก็ยังไม่ค่อยรู้จักมันดี ทุกวันยังคงมีเรื่องราวค้นพบใหม่ ๆ มาอัปเดตกันตลอด นับเป็นเรื่องราวทางฟิสิกส์ที่รอให้เติมเต็มอยู่ ในฉบับหน้าฉันจะมาแนะนำ “เจ้านิวทริโน” ให้ทุกคนได้รู้จักกันอีกครั้ง
About Author
