รู้จัก Higgs boson ” อนุภาคพระเจ้า ” ปฐมบทแห่งมิติที่ 5 !!

Home / Gadget / รู้จัก Higgs boson ” อนุภาคพระเจ้า ” ปฐมบทแห่งมิติที่ 5 !!

 

‘It’s helping us understand the big universal question,

which is what are we made out of.’—Philippe Di Stefano

 

 

4 ก.ค. ที่ผ่านมา CERN ได้แถลงการมีอยู่ของอนุภาคฮิกก์ส ( Higgs boson ) หรือขนานนามกันว่า อนุภาคพระเจ้า ( God particle )  … “ถ้ามันใช่ Higgs boson เราก็เจอมันแล้ว “


 

สื่อแทบจะทุกสำนักต่างยกพื้นที่ให้กับการพบเจอครั้งประวัติศาสตร์นี้  คำถามระดับรากหญ้า คือ Higgs boson คืออะไร?  ทำไมระดับความสำคัญ มันจึงขยายวงกว้างออกมาจากวงการฟิสิกส์ขนาดนี้ ? อนุภาคฮิกก์สที่ค้นพบ เอาจริงๆ แล้ว มีสาระอะไร?  วันนี้เราจะมาหาคำตอบ และทำความเข้าใจไปพร้อมๆ กัน

 

 

History Of  Universal

 

ก่อนจะเข้าสู่คำถามระดับอนุภาค นักวิทยาศาตร์เริ่มต้นด้วยคำถามของจักรวาลก่อน การเกิดของจักรวาลถูกเสนอด้วยทฤษฎีมากมาย แต่ก็พร่องไปตามเหตุและผล ที่ไม่สามารถเชื่อมโยงกัน กระทั่งทฤษฎีบิ๊กแบง Big Bang  การระเบิดใหญ่ในจักรวาลได้ถูกเสนอขึ้น จากการสังเกตุ “การขยายตัวของจักรวาล”  และมันก็ยังครองตำแหน่ง ความน่าจะเป็นที่สุดของการกำเนิดจักรวาล

 

หลังการระเบิดครั้งใหญ่ จักรวาลเย็นตัวลง แต่ยังไม่มีอนุภาค ไม่มีมวล ไม่มีแสง ใดๆ กระทั่งมันรวมตัวกันก่อนจะเป็นอนุภาค มีมวล เป็นดาว เป็นโลกต่างๆ แล้วอะไร? ทำให้มันรวมตัว มีมวล มีพลังงาน … แบบจำลองมาตรฐาน” ( Standard Model ) จึงถูกเสนอเข้ามาอธิบาย .

 

 

Standard Model  ทฤษฎีของอนุภาคมูลฐาน

 

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ก่อนการกำเนิดเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง เช่น LHC ในปัจจุบัน กรอบความรู้เรื่องจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ศึกษาจากหน่วยที่เล็กที่สุดอย่างอะตอมก่อน เพราะเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของธาตุทุกชนิด  เมื่อทำการผ่าอะตอมปรากฎว่าดันเจอ โปรตอน ( proton ), นิวตรอน ( neutron ) และ อิเล็กตรอน ( electron ) อยู่ในอะตอมนั้น จึงเรียก อนุภาคทั้ง 3 ตัวนี้ว่า อนุภาคมูลฐาน ( elementary particle ) เนื่องจากไม่สามารถแบ่งมันออกได้อีก

 

เมื่อการศึกษาพัฒนาขึ้นถึงยุคเครื่องเร่งอนุภาค นักฟิสิกส์ก็ค้นพบอนุภาคใหม่ๆ มากมายจนตัวอักษรกรีก ไม่พอที่จะเอามาใช้ตั้งชื่อ ถึงกับขนานนามกันว่า  ” Particle Zoo ” กันเลย การพบอนุภาคที่มากมายดังกล่าว ไม่ได้ทำให้นักฟิสิกส์ตื่นเต้นอีกแล้ว แต่กลับกังวลถึงขอบเขตการค้นหา จึงพยายามสร้างทฤษฎีมาอธิบายความสัมพันธ์ของมันดีกว่า

 

กำเนิดเป็น ทฤษฎี Standard Model  ที่ประกอบด้วย แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ( eletromagnetic force ) แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ( weak force ) และ ทฤษฎีของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ( strong force ) แรงมูลฐาน 3 แรง  สามารถแบ่ง อนุภาคมูลฐานได้เป็นสองประเภท คือ fermion และ gauge boson

 

1960's

 

Higgs mechanism กำเนิดทฤษฎีจอกศักดิ์สิทธิ์ อนุภาคฮิกก์ส

 

จากตารางมีอนุภาคมูลฐาน สองประเภท คือ fermion และ gauge boson บนคอลัมน์ขวาสุด gauge boson นั้นสร้างปัญหาให้กับนักฟิสิกส์อย่างมาก คือ ความต่างอย่างเห็นได้ชัดของมวล photon gluon ที่ไม่มีมวล ขณะที่ W และ Z boson ต่างก็มีมวลซึ่งหนักพอๆ กับนิวเคลียสของตะกั่ว

 

Standard Model

อนุภาคมูลฐาน สองประเภท คือ fermion และ gauge boson

 

ปี ค.ศ. 1964  นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ได้แก่ ฟรองซัว อองเกลอร์ ( François Englert )  โรเบิร์ต เบราท์ ( Robert Brout ) ปีเตอร์ ฮิกส์ ( Peter Higgs ) และนักวิจัยที่ออกงานวิจัยอิสระ เจอรัลด์ กูรัลนิค ( Gerald Guralnik ) ซี.อาร์.เฮเกน ( C. R. Hagen )  ทอม คิบเบิล ( Tom Kibble ) ได้เสนอทฤษฎี อธิบาย กระบวนการที่ทำให้อนุภาคมูลฐานเกิดมวลขึ้นมา เรียกกันว่า  “ Higgs mechanism มันถูกตั้งชื่อภายหลังเพื่อเป็นเกียรติแก่ Peter Higgs

 

Higgs mechanism อธิบายว่า อนุภาคแรกหลังการระเบิด Big Bang ยังไม่มีมวลเป็นของตัวเอง จนกระทั่งเอกภพให้กำเนิดสนามพลังที่เรียกว่า “ Higgs field ” ขึ้น Higgs field เป็นสนามของพลังที่มองไม่เห็น และกระจายอยู่ทั่วจักรวาล อนุภาคมูลฐานได้ทำ interaction กับ สนาม Higgs field กลายเป็นมวลของอนุภาคนั้นๆ  อนุภาคที่ interaction น้อย ก็มีมวลน้อย interaction มากก็จะมีมวลมาก ไม่ interaction เลยก็ไม่มีมวล

 

และ Higgs boson ก็คือ Higgs boson ก็คืออนุภาคของ Higgs field เหมือนกับที่ photon หรืออนุภาคแสงเป็นอนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic field) นั่นเอง !!

 

Scientists at the CERN

 

ออกล่า Higgs boson 

 

หลังจาก Higgs mechanism ถูกนำมารวมใน Standard Model โดย Steven Weinberg และ Abdus Salam ปี 1976 นักฟิสิกส์ก็ออกตามหาอนุภาคในตาราง Standard Model จนเกือบครบอนุภาคตามสมมุติฐาน   ยกเว้นอนุภาคเดียวเท่านั้น คือ  Higgs boson ด้วยความที่หายากเย็นมันจึงถูกขนานนามว่า God Particle หรือ อนุภาคพระเจ้า ตามนักฟิสิกส์โนเบล Leon Lederman ตั้งมันขึ้นมาใหนังสือ The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?

 

Higgs boson คือ ตัวยืนยันการมีอยู่ของ Higgs field ที่ไม่สามารถสังเกตเห็นได้ เฉก photon  ในสนามแม่เหล็ก นักวิทยาศาสตร์เฝ้าสังเกตกราฟ เพื่อประมาณการณ์ ช่วงมวลของ Higgs boson ที่อยู่ระดับร้อย GeV/c2  จึงต้องใช้เครื่องอนุภาคพลังงานสูงมากๆ เพื่อจำลองเหตุการณ์ ขณะเดียวกัน ด้วยความที่มันมีมวลมหาศาล จึงสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นแทบจะทันที นักวิทย์จึงต้องคำนวณย้อนกลับ จากการแตกตัวของอนุภาค และดูความเปลี่ยนแปลงของช่วงกราฟเอา

 

Large Hadron Collider (LHC)

 

และเมื่อวันที่ 4 ก.ค. ที่ผ่านมาทีม CMS และ ATLAS  แห่ง CERN ซึ่งแยกการค้นหาอนุภาคฮิกก์ส  ก็รายผลการค้นหาตรงกัน  ที่ระดับความเชื่อมั่น 5 sigma ช่วงมวล 125.3 – 126.5 GeV จากทั้งสองทีม คือมวลของ  Higgs boson   …  “I think, We have it”!  – Rolf Heuer ผู้อำนวยการของ CERN  กล่าวสรุป  ก่อนทุกคนในที่ประชุมจะลุกขึ้นปรบมือ Peter Higgs หนึ่งในบิดาแห่ง Higgs mechanism ถึงกับปาดน้ำตาให้กับความสำเร็จครั้งนี้ !!

 


 

6 ความสำคัญ ของ ‘อนุภาคพระเจ้า’

 

 

เป็นพื้นฐานให้กับฟิสิกส์ใหม่ บนทฤษฎี Standard Model


 

” การค้นพบฮิกก์สทำให้สเกล  Standard Model  สมบูรณ์แน่นอน ซึ่งมันจะเป็นพื้นฐานที่เชื่อถือได้ สำหรับฟิสิกส์อนุภาค ต่อยอดไปถึงโมเดลอื่นๆ เช่น   supersymmetry , มิติอื่นๆ ซึ่งฮิกก์ส คือ กุญแจสำคัญ ที่บอกว่าเรามาถูกทาง “ – Rob McPherson ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ แห่ง University of Victoria และโฆษกของทีม ATLAS Canada Collaboration กล่าว

 

 

จุดเริ่มต้นไปสู่ที่ที่วิทยาศาสตร์ยังไม่เคยไปมาก่อน

 

”  LHC ได้ทำให้เราค้นพบความมหัศจรรย์ ฮิกก์สจะเป็นทางออกของฟิสิกส์ใหม่ เวทีต่อไปเราคาดหวังไปสู่สสารมืด ( dark matter ) และความลึกลับของจักรวาลอื่น  ”  – ศาสตราจารย์  Valentin Khoze ผู้อำนวยการแห่ง  Durham University’s Institute for Particle Physics Phenomenology แห่ง Durham, อังกฤษ กล่าว

 

 

จุดเริ่มต้นของการประยุกส์สู่ชีวิตประจำวันที่ไม่คาดฝัน

 

” การค้นพบนี้จะเป็นพื้นฐานทางงานวิจัยอื่น มันไม่ได้การันตีว่าจะเข้ามีบทบาททันทีในชีวิตประจำวัน ฉะนั้นให้คุณคิดย้อนไปถึงปี 1930 ความสำคัญของ anti-matter ปฏิสสาร ที่ Carl Anderson ค้นพบ และมีความสำคัญต่อวงการแพทย์เอกส์เรย์ปัจจุบันอย่างมาก ด้วยอุปกรณ์ PET scans ในการตรวจจับรังสีโพรตรอนในร่างกาย “  – Philippe Di Stefano ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แห่ง Queen’s University in Kingston, Ont. กล่าว

 

Higgs

 

อธิบายคำถามเบสิคอย่างการเกิดจักรวาลได้

 

“การค้นพบในวันนี้ จะสอนเราว่าจักรวาลนั้นก่อตัวมาอย่างไร และอนุภาคต่างๆ ที่กำเนิดโลก ทำไมมีมวล ฮิกก์ส โบซอน จะอธิบายคำถามเบสิคเหล่านี้ และวิวัฒนาการของจักรวาล  ” — ศาสตราจารย์ Stefan Soldner-Rembold, สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ แห่ง University of Manchester, อังกฤษ กล่าว

 

พลิกตำราฟิสิกส์กันใหม่

 

” ในขณะนี้ เราก็ได้โมเดลที่สมบูรณ์แบบสวยงาม หลังต้องควานหาจิ๊กซอร์ตัวสุดท้ายที่หายไปอย่างนาน มันก็เหมือนกับความสำเร็จเล็กๆ ที่เราพบว่าดาวพลูโต ไม่ได้เป็นดาวเคราะห์ ในระบบสุริยะจักรวาลนี้อีกต่อไป และนี่จะทำให้ตำราฟิสิกส์ต้องปรับเปลี่ยนกันใหม่ “Pekka Sinervo, ศาสตราจารย์ฟิสิกส์แห่ง University of Toronto และ รองประธานอาวุโสแห่ง Canadian Institute for Advanced Research ( CIFAR ) กล่าว

 


การพิสูจน์ที่แสนเนิ่นนาน

 

” แทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะหลีกเลี่ยงคำถามการค้นพบอนุภาคดังกล่าว โอกาสที่ทั้งสองทีมจะคำนวณผิดมีน้อยกว่า 1 ในล้านล้าน ฉะนั้นมันค่อนข้างเครียร์สำหรับการค้นพบ และคำถามโฟกัสไปที่ มันคืออะไรมากกว่า แม้หลักฐานทั้งหมดจะชี้ว่าเป็น ฮิกก์ส โบซอน  แต่มันก็ยังไม่แข็งแรงพอจะสรุปว่านี่คือฮิกก์ส  ที่การค้นหาช่างยาวนานตั้งแต่ยุค 80 นี่มันดีเลย์อย่างมากทีเดียว —  Pekka Sinervo, ศาสตราจารย์ฟิสิกส์แห่ง University of Toronto กล่าว

 

 

[credit]  jusci.net , Pantip , cbc.ca

NOTE: Several of the comments above were gathered by the Science Media Centre of Canada.