กำเนิดทฤษฎีควาร์ก (ตอน1)
กลุ่มอนุภาคแห่งความวุ่นวาย
เอกภพถูกสร้างจากอนุภาคใดบ้าง? เป็นหนึ่งในคำถามที่นักฟิสิกส์พยายามหาคำตอบมาโดยตลอด การจะตอบคำถามนี้ได้จะต้องรู้ไปถึงธรรมชาติระดับรากฐานที่สุดที่ประกอบขึ้นมาเป็นสรรพสิ่ง
หากมองย้อนเวลากลับไปช่วงปี ค.ศ. 1932
ช่วงเวลานั้นนักฟิสิกส์รู้จัก อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ที่ประกอบขึ้นเป็นสสารทั้งหมดที่มนุษย์รู้จัก พูดง่ายๆว่าธาตุทั้งหมดในตารางธาตุถูกสร้างขึ้นจากสามอนุภาคนี้ได้อย่างเรียบง่าย
เค้าลางแห่งความวุ่นวายตั้งเค้าขึ้นในปี ค.ศ. 1936 เมื่อนักฟิสิกส์ค้นพบอนุภาคมิวออนจากรังสีคอสมิก ซึ่งการค้นพบนี้ไม่มีใครคาดคิดมาก่อน มันเหมือนกับการโผล่มาแบบไม่มีปี่มีขลุ่ย*
ความวุ่นวายยุ่งเหยิงปะทุในปี ค.ศ. 1947 เมื่อนักฟิสิกส์ค้นพบอนุภาคไพออน ซึ่งเกี่ยวกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคในนิวเคลียส ตามทฤษฎีของฮิเดกิ ยูคาว่า และปลายปีนั้น สองนักฟิสิกส์ชื่อ George Rochester และ Clifford Butler ค้นพบอนุภาคไม่มีประจุไฟฟ้าชื่อ เคออน (Kaon) ที่มีมวลราว 2 เท่าของไพออน หลังจากนั้นไม่นาน ในปี ค.ศ. 1950 มีการค้นพบอนุภาคชื่อ แลมบ์ดา (Λ0)
จากนั้นไม่นานนัก นักฟิสิกส์ก็ทยอยค้นพบอนุภาคใหม่ๆมากมายก่ายกองเป็นสิบอนุภาค พวกมันถูกตั้งชื่อไล่ตามอักษรกรีก ตั้งแต่ซิกมา โอเมก้า เดลต้า ฯลฯ
วิลลิส แลมบ์ (Willis Lamb) นักฟิสิกส์ผู้สร้างผลงานสำคัญในทฤษฎีควอนตัมกล่าวติดตลกในปี ค.ศ. 1955 ตอนรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ว่า ในช่วงแรก นักฟิสิกส์ผู้ค้นพบอนุภาคใหม่ๆอย่างอิเล็กตรอน โปรตอน ล้วนแล้วแต่ได้รับรางวัลโนเบล แต่ช่วงหลังๆมาที่มีการค้นพบอนุภาคใหม่อยู่เรื่อยๆ นักฟิสิกส์ที่ค้นพบควรจะถูกปรับ 10,000 เหรียญสหรัฐฯทุกครั้งที่ค้นพบอนุภาคใหม่
คำกล่าวของวิลลิส แลมบ์สะท้อนให้เห็นว่าอนุภาคที่ถูกค้นพบใหม่ๆนั้นมีมากมายจนนักฟิสิกส์สับสน ราวกับว่าเอกภพถูกสร้างขึ้นจากความบ้าคลั่งของเหล่าอนุภาคหลายสิบชนิด
จุดเปลี่ยนสำคัญเกิดขึ้น เมื่อนักฟิสิกส์ชื่อ เมอร์เรย์ เกลล์-มันน์( Murray Gell-Mann) และคาซึฮิโกะ นิชิจิมา (Kazuhiko Nishijima) เสนอคุณสมบัติที่เรียกว่า ความแปลก (strangeness) โดยอนุภาคต่างๆมีค่าความแปลกต่างๆกันไป มันช่วยในการอธิบายกระบวนการที่เกี่ยวกับอนุภาคใหม่ๆนี้ได้หลายอย่าง และมันช่วยให้ เมอร์เรย์ เกลล์-มันน์ จัดอนุภาคใหม่ๆเป็นกลุ่มๆเรียงตามประจุไฟฟ้าและความแปลกได้อย่างเป็นระเบียบ
อนุภาคจำนวนมากที่ถูกค้นพบ ถูกเรียงเป็นระบบระเบียบตามประจุไฟฟ้าและค่าความแปลก
รูปแบบเหล่านี้ไม่ใช่แค่ระเบียบหรือความสวยงามเพราะในตอนนั้นปลายยอดล่างสุดแผนผังที่มีลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยมกลับหัวนั้นขาดหายไป เกลล์-มันน์เชื่อว่าอนุภาคนั้นมีอยู่จริง เขาทำการคำนวณหาค่ามวลของอนุภาคนั้นอย่างชัดเจน และในปี ค.ศ. 1964 มีการทดลองค้นพบอนุภาคที่มีคุณสมบัติตรงกับที่เกลล์-มันน์คำนวณไว้เป็นอย่างดี มันเป็นอนุภาคที่มีชื่อว่า โอเมก้า(แบบประจุลบ) การค้นพบดังกล่าวทำให้แผนภาพที่เกลล์-มันน์ เสมอขึ้นมาได้รับความเชื่อถือว่าถูกต้องและชี้ให้เห็นถึงธรรมชาติเบื้องหลังความสับสนวุ่นวายของอนุภาคเหล่านี้
คำถามต่อไปคือ ทำไมพวกมันจึงก่อให้เกิดรูปแบบนี้ขึ้น?
ในปี ค.ศ. 1964 เมอร์เรย์ เกลล์-มันน์ และ George Zweig ต่างคนต่างเสนอสมมติฐานในลักษณะเดียวกันโดยไม่ได้นัดแนะ นั่นคือ แบบจำลองควาร์ก (Quark Model) ที่เสนอว่าอนุภาคที่เกิดขึ้นมาใหม่ๆมากมายหลายชนิดประกอบขึ้นจากอนุภาคพื้นฐานเล็กกว่านั้น เรียกว่า ควาร์ก โดยกลุ่มหนึ่งประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว และอีกกลุ่มประกอบด้วยควาร์กและปฏิควาร์กจับกัน
ควาร์กที่เกลล์-มันน์เสมอขึ้นมามี 3 ชนิด ได้แก่ u d s ซึ่งผสมกันไปมาแล้วได้อนุภาคแปลกๆที่ค้นพบใหม่นี้ทั้งหมด **
เมอร์เรย์ เกลล์-มันน์ เสนอว่าอนุภาคหลายชนิดถูกสร้างขึ้นจากควาร์ก 3 ตัว และควาร์ก 2 ตัว
การค้นพบของเกลล์-มันน์อาจเทียบเคียงได้กับการสร้างตารางธาตุของนักเคมี กล่าวคือ นักเคมีชื่อ ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ค้นพบว่าธาตุต่างๆที่หลากหลายและดูไม่เกี่ยวข้องกัน สามารถนำมาจัดกลุ่มเรียงตามคุณสมบัติของมันจนเกิดรูปแบบที่มีความสัมพันธ์กันได้ นอกจากนี้ เมนเดเลเยฟ ยังพบด้วยว่าตารางธาตุที่เขาสร้างขึ้นมามีช่องว่างๆสำหรับธาตุ 3 ชนิดที่ยังไม่ถูกค้นพบในตอนนั้น เมนเดเลเยฟ ทำนายคุณสมบัติของธาตุที่ขาดหายไปและในเวลาต่อมาก็มีการค้นพบธาตุทั้ง 3 นั้นเข้ามาอยู่ในตารางธาตุในตำแหน่งที่เมนเดเลเยฟทำนายไว้ จริงๆ นั่นคือ Gallium, germanium และ scandium
ส่วนแบบจำลองควาร์กก็อาจเทียบเคียงได้กับการค้นพบโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ที่เป็นส่วนประกอบย่อยๆของธาตุต่างๆนั่นเอง
อนุภาคหลายๆอนุภาคที่ดูไม่เกี่ยวข้องกัน แท้จริงแล้วเป็นผลพวงมาจากการรวมตัวของควาร์กไม่กี่ชนิด
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแบบจำลองควาร์กสามารถอธิบายการมีอยู่ของอนุภาคจำนวนมากเหล่านี้ได้อย่างเรียบง่าย แต่มันเจอกับปัญหาใหญ่มากๆอย่างหนึ่ง นั่นคือ ช่วงเวลานั้น นักฟิสิกส์ไม่เคยสังเกตเห็นควาร์กเลย ทั้งที่ถ้านำโปรตอนมาชนกันก็น่าจะมีควาร์กหลุดกระเด็นออกมาให้เห็นบ้าง อีกอย่างคือ การที่ควาร์กเดี่ยวๆมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วนก็น่าจะถูกตรวจจับได้ไม่ยาก อีกทั้งในเมื่อควาร์กเป็นอนุภาคพื้นฐาน มันก็ไม่น่าจะสลายตัวให้อนุภาคที่เล็กลงไปกว่านั้นได้ ดังนั้นมันก็น่าจะหลงเหลือจากกระบวนการต่างๆมาให้สังเกตพบบ้าง
การที่นักฟิสิกส์ไม่สามารถตรวจจับควาร์กได้ทำให้นักฟิสิกส์บางส่วนเริ่มสงสัยว่าแบบจำลองควาร์กนั้นมาถูกทางหรือไม่ แต่สุดท้ายคำถามนี้ก็มีคำตอบ นั่นคือควาร์กที่เกาะกันอยู่ในอนุภาคอย่างโปรตอน นิวตรอน นั้นถูกกักเอาไว้ไม่ให้หลุดออกมาได้ เรียกว่า Quark confinement
โปรตอนกับนิวตรอน เดิมทีเคยถูกเชื่อว่าเป็นอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุด แค่แท้จริงเป็นอนุภาคที่ประกอบขึ้นมาจากควาร์ก
แม้ว่ามันจะถูกกักไว้ไม่ให้หลุดออกมา แต่นักฟิสิกส์สามารถทำการทดลองสังเกตการมีอยู่ของมันได้ด้วยยิงอิเล็กตรอนพลังงานสูงใส่โปรตอนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคที่มีชื่อว่า SLAC เมื่อทำการวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่กระเจิงออกมาที่มุมต่างๆและพลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านั้น ทำให้รู้ว่าโปรตอนมีโครงสร้างภายในเล็กๆสามอนุภาคตามแบบจำลองควาร์ก (การทดลองอื่นๆที่ตามมาก็ได้ผลลัพธ์ที่นำไปสู่ข้อสรุปเดียวกัน)
แต่เรื่องทั้งหมดยังไม่จบเท่านี้ เพราะควาร์กในตอนนี้มีเพียงสามชนิด ยังเหลือควาร์กอื่นๆที่ยังไม่ถูกค้นพบ อีกทั้งเอาเข้าจริงๆในตอนนั้นนักฟิสิกส์ก็ยังไม่เชื่อถือทฤษฎีควาร์กอย่างสนิทใจ สัปดาห์หน้าผมจะเล่าการค้นพบสำคัญที่ที่ทำให้นักฟิสิกส์สิ้นสงสัยในเรื่องนี้ครับ
*ในช่วงนั้นนักฟิสิกส์เสนอทฤษฎีอนุภาคนิวตริโน
แต่ก็ยังไม่มีการตรวจจับนิวตริโนได้โดยตรง
*แนวคิดของเกลล์-มันน์ชี้นำว่าอาจจะมีอนุภาคประหลาดๆที่ประกอบขึ้นมาจากควาร์ก 5 ตัวได้ แต่ก็เพิ่งมีการค้นพบกันไม่ถึงสิบปีมานี้
อ้างอิง
- 31
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
