การค้นพบอันยิ่งใหญ่ทางวิทยาศาสตร์ของคริสต์ศตวรรษที่ 21 น่าจะเป็นเรื่องใด ?
 
       วันที่ 4 ก.ค. 2012 ที่ผ่านมา เซิร์น (CERN) หรือ องค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (European Organization for Nuclear Research) แถลงข่าวการค้นพบอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่ที่อาจจะเป็นหนึ่งในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษนี้ และอาจสำคัญไม่ต่างกับการส่งมนุษย์ไปเหยียบดวงจันทร์ หรือการค้นพบทวีปใหม่ของโคลัมบัส
 
       มาดูกันครับว่า เหตุใดการค้นพบอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่ที่ชื่อ ฮิกส์ โบซอน (Higgs boson) นี้ ที่มีตำนานการค้นหายาวนานกว่า 40 ปี จึงถือเป็นเรื่องน่าตื่นเต้นครั้งใหญ่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก
 
จิ๊กซอว์สำคัญที่ขาดหายไป
 
       องค์ประกอบที่เล็กที่สุดของสิ่งต่างๆ ที่เราคุ้นเคยดีในชีวิตประจำวันก็คือ อะตอม”แต่ตัวอะตอมเองก็ยังประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานที่แยกย่อยลงไปได้อีกคือ นิวตรอน โปรตอน และอิเล็กตรอน นั่นคือแนวคิดพื้นฐานที่ปรากฏในตำราหรือแบบเรียนระดับมัธยมของประเทศไทย
      
       อันที่จริงแล้วแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่ดีที่สุดซึ่งนักฟิสิกส์ใช้กันอยู่ เพื่ออธิบายเกี่ยวกับส่วนประกอบที่เล็กสุดๆ จนยากจินตนาการถึงได้เหล่านี้เรียกว่า แบบจำลองมาตรฐาน หรือ Standard Model ยังมีรายละเอียดมากกว่านั้นอีกมาก เช่น แม้แต่อนุภาคเช่น นิวตรอน และโปรตอน เองก็ยังประกอบไปด้วย อนุภาคมูลฐาน (Elementary particle) ละเอียดลงไปอีก
 
       คำว่า “อนุภาคมูลฐาน” ก็คือ อนุภาคที่ไม่มีส่วนประกอบอื่นๆ ภายในอีกแล้ว ตัวอย่างอนุภาคมูลฐานที่ค้นพบแล้วอยู่ในตารางข้างล่างนี้
 
Diagram of the Standard Model
ตารางแสดงอนุภาคมูลฐานตามแบบจำลองมาตรฐาน (ภาพ : AAAS)
 
       กล่าวโดยย่อๆ อนุภาคมูลฐานแบ่งเป็น 2 ประเภทคือ เฟอร์มิออน (fermion) ที่มีเลขสปินเป็นจำนวนครึ่ง และโบซอน (boson) ที่มีเลขสปินเป็นจำนวนเต็ม โดยเฟอร์มิออนยังแบ่งต่อไปอีกเป็นควาร์ก (Quark) (สีเขียวในตาราง) และเลปตอน (Lepton) (สีน้ำเงินในตาราง) ซึ่งเรียกรวมๆ เป็น อนุภาคสสาร (matter particle) หรือเป็นอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบในสสาร
 
       ส่วน โบซอน (Boson) (สีม่วงในตาราง) ทำหน้าที่เป็น พาหะแรง (Force carrier) หรือพูดง่ายก็คือ พวกมันเป็นตัวกลางหรือสื่อของแรงพื้นฐานทั้ง 4 แรงตามธรรมชาติ เช่น แรงแม่เหล็กไฟฟ้า หรือแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (เช่น ที่พบขณะเกิดการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี) เป็นต้น ซึ่งก็รวมถึงอนุภาคฮิกส์ที่เชื่อกันว่าเป็นอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับการมีมวลของอนุภาคมูลฐานบางตัวจินตนาการง่ายๆ ก็คล้ายกับเป็นโมเลกุลของอากาศเป็นตัวกลางนำเสียงนั่นเอง
 
       ผลจากการทดลองต่างๆ พบว่า อนุภาคบางตัวมี มวล (Mass) ทั้งๆ ที่ในแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคมูลฐานเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีมวลแต่อย่างใด ซึ่งก็ไม่ได้ขัดต่อหลักการทางฟิสิกส์ต่างๆ ที่แบบจำลองมาตรฐานนั้นตั้งอยู่และสร้างขึ้นมา แต่มวลเป็นพารามิเตอร์อิสระที่ต้องเพิ่มเข้าไปในทฤษฎี เพื่อให้ผลการคำนวณสอดคล้องกับผลการทดลอง
      
       คำถามสำคัญจึงกลายเป็นว่า เหตุใดอนุภาคมูลฐานเหล่านี้จึงมีมวลแตกต่างกันมาก และเหตุใดบางตัวไม่มีมวลเลย กลไกการได้มาซึ่งมวลของอนุภาคมูลฐานเป็นอย่างไรกันแน่
 
       สมมติฐานหนึ่งที่ใช้อธิบายเรื่องดังกล่าวก็คือ น่าจะมีอนุภาคมูลฐานบางชนิดที่ขาดหายไปจากแบบจำลองมาตรฐานนี้ และหนึ่งในจำนวนนั้นที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) และคนอื่นๆ ในปี ค.ศ.1964 ก็คือ อนุภาคมูลฐานที่ปัจจุบันเรียกว่า ฮิกส์โบซอน (Higgs Boson) นั่นเอง
 
 
อนุภาคพระเจ้า กับ ทฤษฎี มวล” สุดพิลึก
 
       ฮิกส์โบซอนนั้นรู้จักกันอย่างกว้างขวางในอีกชื่อหนึ่งว่า “อนุภาคพระเจ้า” แต่เหตุใดอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่งจึงกลายเป็น “อนุภาคพระเจ้า” ไปได้ ? และมันทำให้เกิดมวลได้อย่างไร ?
 
       ลีออง ลีเดอร์แมน (Leon Lederman) เรียกขานฮิกส์โบซอนว่า “อนุภาคพระเจ้า” ในหนังสือ The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? ของเขา และทำให้ชื่อนี้กลายเป็นคำเรียกติดปากคนนอกชุมชนวิทยาศาสตร์ไปในที่สุด แม้ว่าตัวฮิกส์เองจะไม่ชอบชื่อเรียกที่ชวนเข้าใจผิดนี้เท่าใดนัก สมญา “อนุภาคพระเจ้า” นี้จึงไปคล้ายกับกรณีของชื่อเรียกทฤษฎีกำเนิดจักรวาลที่ว่า “บิ๊กแบง (Big Bang)” ที่ชวนเข้าใจผิด เพราะในยามนั้นอนุภาคต่างๆ ที่ทำให้เกิดเสียงหรือเป็นตัวกลางถ่ายทอดเสียงล้วนแต่ยังไม่เกิดขึ้นทั้งสิ้น
 
       ฮิกส์โบซอนทำให้เกิด “มวล” ได้อย่างไรกันแน่ ?  
 
       ฮิกส์และนักฟิสิกส์อื่นๆ อีก 5 คนประกอบด้วย โรเบิร์ต เบราท์ (Robert Brout) ฟรองซัว อองแกลรท์ (François Englert) ทอม คิบเบิล (Tom Kibble) ซี.อาร์.เฮเกน (C.R. Hagen) และเจรัลด์ กูรัลนิค (Gerald Guralnik) เสนอทฤษฎีพิลึกพิลั่นที่อธิบายว่า ฮิกส์โบซอนทำให้เกิดมวลได้อย่างไร ตัวอย่างคำอธิบายที่แพร่หลายอาศัยการเปรียบเทียบดังนี้คือ หากมีห้องหนึ่งที่มีนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งนั่งพูดคุยกันอยู่ เราอาจเรียกห้องนี้ว่าเป็น สนามฮิกส์ (Higgs Field)  
 
 
แผนภาพอย่างง่ายอธิบายวิธีการทำให้เกิดมวลของฮิกส์โบซอน (ภาพ: CERN / UCL)
 
แผนภาพอย่างง่ายอธิบายวิธีการทำให้เกิดมวลของฮิกส์โบซอน (ภาพ: CERN / UCL)
 
       ครั้นเมื่อมีนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังสักคนเดินเข้ามาในห้อง ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบางอย่างขึ้น เขาหรือเธอผู้นั้นจะถูกแวดล้อมด้วยบรรดาผู้คน อาจจะต้องมีการหยุดให้ลายเซ็นและพูดคุย ผลก็คือจะเดินจากจุดหนึ่งไปยังจุดอื่นๆ ของห้องยากขึ้น เปรียบเสมือนเขาหรือเธอมี มวล” ขึ้น เพราะ “สนาม” ที่เกิดจากแฟนคลับทั้งหลายนั่นเอง
ในภาวะดังกล่าวนี้แฟนคลับแต่ละคน ก็คล้ายกับเป็นฮิกส์โบซอนแต่ละตัว
 
       หากสถานการณ์เปลี่ยนไปเล็กน้อย นักวิทยาศาสตร์ที่เดินเข้าห้องมา ดัง” ไม่มากเท่ากับในรายแรก กลุ่มคนที่มาล้อมรอบก็จะลดน้อยลงไปด้วย นักวิทยาศาสตร์คนดังกล่าวก็จะเดินไปมาในห้องได้สะดวกมากกว่า นักวิทยาศาสตร์ในกรณีหลังนี้จึงมี “มวล” น้อยกว่านักวิทยาศาสตร์คนแรก ดังนั้นตามทฤษฎีนี้ควรจะมีสนามฮิกส์แพร่กระจายอยู่ทั่วไปในเอกภพเพื่อทำให้อนุภาคต่างๆ มีมวล   
 
เกิดขึ้น ตั้งอยู่ ดับไป ... ไวกว่าสายฟ้าแลบ
 
       แม้การค้นพบหรือพิสูจน์การมีอยู่ของฮิกส์โบซอน อาจจะนำชื่อเสียงมาให้ และอาจเป็นจุดเริ่มต้นไปสู่โฉมหน้าใหม่ของฟิสิกส์ได้ แต่ภารกิจนี้ทำได้ไม่ง่ายเลยด้วยหลายสาเหตุด้วยกัน
 
       สมบัติต่างๆ ของฮิกส์โบซอนที่พอจะทำนายได้นั้น ระบุได้เพียงคร่าวๆ น่าจะเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลมาก (คือเทียบเท่ากับอะตอมขนาดกลางๆ) พวกมันน่าจะไม่มีประจุและสปิน (Spin) ซึ่งทำให้จัดเข้าพวกได้กับ “โบซอน” ในตารางข้างต้นนั่นเอง
 
       สมบัติอื่นๆ ที่ทำนายไว้กลับยิ่งทำให้การค้นหาฮิกส์โบซอนทำได้ยากยิ่งขึ้นไปอีก นั่นก็คือมันน่าจะไม่เสถียรและสลายตัวแทบจะในทันทีทันใดที่เกิดขึ้น แถมยังตรวจจับโดยตรงไม่ได้ แต่จะตรวจจับได้ก็ต่อเมื่อทำปฏิกิริยากับอนุภาคมูลฐานอื่นๆ เท่านั้น
 
       จากสมบัติต่างๆ ข้างต้นนี่เอง ทำให้ CERN และสถานีทดลองที่มีเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงทั่วโลก เช่น เฟอร์มีแล็บ (Fermilab) ที่มีเครื่องเร่งอนุภาค เทวาตรอน (Tevatron) ของสหรัฐฯ ต่างก็หมายมั่นปั้นมือที่จะเป็นผู้ค้นจนพบฮิกส์โบซอนเป็นรายแรกให้จงได้
 
       ในเมื่อตรวจจับฮิกส์โบซอนได้ยากขนาดนั้น ทางนักวิทยาศาสตร์ของ CERN มั่นใจได้อย่างไรว่าได้ค้นพบว่าฮิกส์โบซอนแล้วจริงๆ ?
 
 
LHC.svg 
ตำแหน่งของ CMS ในเครื่องเร่งอนุภาค LHC (ซ้าย) และ
ภาพตัดขวางของเครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS (ภาพ : Wikipedia)
 
       CERN และสถานีวิจัยแห่งอื่นๆ ใช้วิธีคล้ายคลึงกันคือ เร่งอนุภาคบางอย่างจนมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง ซึ่งก็ทำให้อนุภาคเหล่านั้นมีพลังงานสูงมากๆ ก่อนบังคับให้ชนกันและบันทึกผลการแตกตัวที่เกิดขึ้น ซึ่งจะได้เป็นอนุภาคมูลฐานต่างๆ มากมายมหาศาล พุ่งชนกันไปมานับครั้งแทบไม่ถ้วนในแต่ละเสี้ยววินาที จากนั้นจึงนำมาวิเคราะห์แยกแยะว่า สิ่งที่ตรวจพบนั้นคืออนุภาคใดกันแน่
 
       เมื่อทดลองอย่างต่อเนื่องก็ทำให้สามารถตัดความน่าจะเป็นของฮิกส์โบซอนในช่วงที่ระดับมวลมากหรือน้อยเกินไป จนค่อยๆ ได้ช่วงมวลที่น่าจะถูกต้องมากขึ้นเรื่อยๆ ได้ในที่สุด
 
       ข้อมูลหลักที่ CERN ใช้สรุปว่าค้นพบฮิกส์โบซอนแล้วจริงๆ มาจากสถานีตรวจจับวัดอนุภาค 2 แห่งคือ ซีเอ็มเอส (CMS, Compact Muon Solenoid) และแอ็ทลาส (ATLAS, A Toroidal LHC Apparatus) ที่เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (LHC, Large Hadron Collider) ที่มีความยาวเส้นรอบวงที่ใช้เร่งความเร็วของอนุภาคยาวถึง 27 กิโลเมตร
 
       การวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จาก CMS และ ATLAS ทำให้ทราบว่าในการทดลอง 2 ชุด ชุดหนึ่งหลังจากทดลองยิงโปรตอน 2 ตัวเข้าหากันด้วยพลังงานรวม 8 TeV เกิดฮิกส์โบซอนขึ้น ก่อนสลายตัวกลายเป็นโฟตอนคู่หนึ่ง
 
Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre-of-mass energy of 8 TeV.  The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of photons (dashed yellow lines and green towers). The event could also be due to known standard model background processes.
ภาพการวิเคราะห์ข้อมูลชุดนี้ แสดงผลหลังการชนกันของโปรตอน 2 ตัวที่มีพลังงาน
ระดับ 8 TeV ได้เป็น “ฮิกส์โบซอน” ที่แตกตัวต่อกลายเป็นโฟตอน 2 ตัว
แสดงด้วยเส้นประสีเหลืองและแท่งสีเขียว (ภาพ : CERN)
 
       ขณะที่อีกการทดลองหนึ่งที่โปรตอน 2 ตัวชนกันด้วยพลังงานรวม 8 TeV เช่นกัน มีฮิกส์โบซอนเกิดขึ้น ก่อนสลายกลายไปเป็น Z boson 1 คู่ ซึ่งต่อมา Z boson ดังกล่าวตัวหนึ่งก็กลายไปเป็นอิเล็กตรอน คู่หนึ่ง ในขณะที่ Z boson อีกตัวหนึ่งสลายกลายไปเป็นมิวออน (muon) คู่หนึ่ง ในการทดลองทั้งคู่ดังกล่าว อนุภาคฮิกส์โบซอนที่พบมีมวลราว 125 GeV เท่าๆ กัน
 
<strong>Figure 2.</strong> Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre-of-mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently decays to a pair of electrons (green lines and green towers) and the other Z decays to a pair of muons (red lines). The event could also be due to known standard model background processes.
ภาพการวิเคราะห์ข้อมูลชุดนี้ แสดงผลหลังการชนกันของโปรตอน 2 ตัวที่มีพลังงานระดับ 8 TeV
ได้เป็นฮิกส์โบซอนที่แตกตัวต่อกลายเป็น Z boson 2 ตัวที่แตกตัวต่อไปกลายเป็น
อิเล็กตรอน 2 ตัว (เส้นและแถบเขียว) และมิวออน 2 ตัว (เส้นสีแดง) (ภาพ : CERN)
 
       TeV, Teraelectronvolt) เท่ากับ 1 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ในขณะที่หน่วยจิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV, Gigaelectronvolt) เท่ากับ 1 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ โดยต่างก็เป็นหน่วยวัดพลังงาน แต่เนื่องจากอนุภาคที่ศึกษามีขนาดเล็กมาก การวัดด้วยหน่วยพลังงานแบบนี้สะดวกกว่าการใช้หน่วยมวลตามปกติอันที่จริงแล้วมวลกับพลังงานก็เปลี่ยนไปมาได้ตามสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงานของไอน์สไตน์คือ E = mc2
   
ยุคก่อนและหลังฮิกส์โบซอน
 
       ผลการทดลองข้างต้นเชื่อถือได้เพียงใด ?
      
       นักฟิสิกส์ประเมินค่าความน่าเชื่อถือของการทดลองนี้ว่า ในทางสถิติโอกาสที่สิ่งที่ตรวจพบนั้นเป็นแค่ความแปรปรวนทางสถิติเท่านั้น มีโอกาสเกิดเพียงแค่ 1 ใน 3 ล้านเท่านั้น แต่กระนั้นทาง CERN เองและสำนักข่าวหลายแห่งก็ยังใช้คำว่า อนุภาคคล้ายฮิกส์โบซอน (Higgs-like boson) ในการแถลงข่าวคราวนี้ ทีมวิจัยที่ CERN วางแผนจะทดสอบซ้ำและตรวจวัดสมบัติอื่นๆ เพิ่มเติมอีก เช่น ค่า spin และ parity
 
       ไม่ว่าอนุภาคใหม่ที่ค้นพบนี้จะเป็นฮิกส์โบซอนจริงหรือไม่ การค้นพบครั้งนี้ก็คล้ายกับการเปิดประตูบานใหม่ด้านฟิสิกส์อนุภาค และมีโอกาสไม่น้อยที่จะนำไปสู่สิ่งใหม่ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยคาดคิดมาก่อน
 
       งานวิจัยพื้นฐานทางฟิสิกส์สมัยใหม่ในลักษณะนี้ ต้องลงทุนและใช้งบประมาณมหาศาล อีกทั้งต้องใช้ความพยายามสูงยิ่งจนน่าทึ่ง ดังเช่น เครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS นี้ออกแบบสร้างตั้งแต่ปี 1992 มีความยาวเกือบ 29 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 15 เมตร และหนักถึง 14,000 ตัน รวมเวลาก่อสร้างนานถึง 16 ปี มีจำนวนผู้มีส่วนร่วมมากมายยิ่ง คือประกอบด้วยนักฟิสิกส์ 3,275 คน (นักศึกษาอีก 1,535 คน) วิศวกรและช่างเทคนิค 790 คน จากสถาบันวิจัยรวม 179 แห่งใน 41 ประเทศทั่วโลก ซึ่งน่าภูมิใจว่าในจำนวนนั้นก็มีนักฟิสิกส์ชาวไทยรวมอยู่ด้วย
 
        ทุกครั้งที่เราได้ความรู้พื้นฐานใหม่ๆ เช่นนี้ ก็มักนำไปสู่การประยุกต์ใช้ประโยชน์อย่างคาดไม่ถึงเสมอ คงต้องลุ้นกันต่อไปว่าในคราวนี้จะเป็นเช่นนั้นหรือไม่ อย่างไร
 

ขอขอบคุณ
 
ศ.ดร.ไพรัช ธัชพงษ์, ศ.ดร.ยงยุทธ ยุทธวงศ์, ดร.ทวีศักดิ์ กออนันตกูล และดร.บุรินทร์ อัศวพิภพ สำหรับคำแนะนำในการเตรียมต้นฉบับ
 
 
ค้นคว้าเพิ่มเติม
 

เขียนโดย 

ดร.นำชัย ชีววิวรรธน์
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)
 
 

MTEC
BIOTEC
NECTEC
NANOTEC

tsp

AIMI

nctc

ผลงานวิจัยพร้อมถ่ายทอด

ฐานข้อมูลหน่วยงานภาครัฐ

 
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)
เป็นหน่วยงานของรัฐที่จัดตั้งขึ้นเพื่อศึกษาวิจัยและพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีเพื่อการพัฒนาประเทศไทย ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อแสวงหากำไร
หากท่านพบว่ามีข้อมูลใดๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุดต่อไป