นักฟิสิกส์หยุดอะตอมปฏิสสาร “โพซิตรอเนียม” ด้วยเลเซอร์

มันคือสิ่งที่หาพบได้แสนยากในห้วงจักรวาล และมักจะดำรงอยู่ได้เพียงชั่วพริบตา แค่ 1 ใน 142,000 ล้านส่วนของวินาทีเท่านั้น

โพซิตรอเนียมสามารถปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาล และอาจช่วยสร้างความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับ “ปฏิสสาร” (antimatter) ที่เคยมีอยู่ในยุคกำเนิดจักรวาล นอกจากนี้ การศึกษาวิจัยเรื่องของมันอาจนำไปสู่การปฏิวัติวงการฟิสิกส์, การค้นพบวิธีรักษาโรคมะเร็ง, หรือแม้แต่การเดินทางข้ามห้วงอวกาศที่รวดเร็วทันใจได้

ทว่าจนถึงบัดนี้ ปฏิสสารลึกลับดังกล่าวยังอยู่ในสถานะที่เราแทบไม่อาจจะนำมาศึกษาวิเคราะห์ได้เลย เพราะอะตอมของมันวิ่งไปมาอย่างรวดเร็วมาก แต่ล่าสุดนักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีแก้ปัญหาดังกล่าว ด้วยการใช้ลำแสงเลเซอร์แช่แข็งให้อะตอมโพซิตรอเนียมหยุดนิ่ง

ดร. รุจเจโร คาราวีตา ผู้นำทีมวิจัยขององค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น (Cern) ที่ตั้งอยู่ใกล้กับนครเจนีวาของสวิตเซอร์แลนด์ บอกกับบีบีซีว่า “นักฟิสิกส์กำลังตกหลุมรักโพซิตรอน มันเป็นอะตอมที่สมบูรณ์แบบ เหมาะสำหรับการทดลองที่ทำกับปฏิสสาร”

“ตอนนี้การศึกษาวิจัยในสาขาที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ปราศจากอุปสรรคขัดขวางแล้ว”

แต่โพซิตรอเนียมคืออะไรกันแน่ ? อันที่จริงแล้วมันเป็นอะตอมที่ไม่ธรรมดา เพราะมีทั้งส่วนที่เป็นสสารและปฏิสสารรวมตัวอยู่ด้วยกัน จัดว่าแปลกประหลาดยิ่งกว่าอะตอมที่พบได้ทั่วไปมาก

สสาร (matter) คือองค์ประกอบหลักที่สร้างโลกรอบตัวเราขึ้นมาเกือบทั้งหมด รวมไปถึงบรรดาดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และตัวเราเองด้วย ส่วนปฏิสสาร (antimatter) นั้นเป็นสิ่งตรงกันข้าม แม้ในยุคกำเนิดจักรวาลมันจะถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่มากมายเท่าเทียมกับสสาร แต่ตอนนี้เหลืออยู่น้อยมากและมีเกิดขึ้นใหม่ในห้วงจักรวาลเพียงไม่กี่อะตอม ซ้ำร้ายยังดำรงอยู่ในธรรมชาติได้แค่ชั่วแวบเดียวก่อนจะสลายตัวไป

การค้นพบความจริงที่ว่า เหตุใดเอกภพยุคปัจจุบันจึงมีสสารอยู่มากกว่าปฏิสสาร จะช่วยอธิบายถึงต้นเหตุแห่งการดำรงอยู่ของมนุษยชาติในทุกวันนี้ รวมทั้งนำพาเราไปสู่การพัฒนาทฤษฎีใหม่ ซึ่งว่าด้วยวิวัฒนาการของจักรวาลที่สมบูรณ์แบบกว่าเดิม โดยในการนี้โพซิตรอเนียมถือว่าเป็นกุญแจสำคัญไปสู่การไขคำตอบดังกล่าว

ลิซา กล็อกเกลอร์ นักศึกษาวิจัยระดับปริญญาเอกที่ร่วมทำงานในโครงการทดลองนี้ บอกว่า “อะตอมของโพซิตรอเนียมถือเป็นระบบที่มีโครงสร้างเรียบง่าย มันประกอบด้วยสสาร 50% และปฏิสสารอีก 50% เราจึงหวังว่าหากมีความเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ้นกับสสารทั้งสองชนิดในระบบนี้ เราจะสังเกตเห็นได้ง่ายกว่าความเปลี่ยนแปลงที่เกิดในระบบซับซ้อน”

หนึ่งในการทดลองแรก ๆ ซึ่งสามารถนำอะตอมโพซิตรอเนียมที่ถูกแช่แข็งจนหยุดนิ่งไปใช้งานได้ คือการทดสอบว่าส่วนที่เป็นปฏิสสารของมันจะมีพฤติกรรมเป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เช่นเดียวกับส่วนที่เป็นสสารธรรมดาหรือไม่

สสารที่สร้างโลกและทุกสิ่งรอบตัวเราขึ้นมาทั้งหมดประกอบไปด้วยอะตอม ซึ่งอะตอมที่อยู่ในรูปแบบพื้นฐานที่สุดได้แก่อะตอมของไฮโดรเจน อันเป็นธาตุที่หาพบได้มากมายที่สุดในเอกภพ โดยอะตอมไฮโดรเจนประกอบไปด้วยอนุภาคโปรตอนซึ่งมีประจุบวก 1 ตัว และอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบอีก 1 ตัว ในขณะที่อะตอมของโพซิตรอเนียมประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนที่เป็นสสาร และ “โพซิตรอน” อนุภาคปฏิสสารที่เหมือนกับอิเล็กตรอนทุกประการแต่มีประจุบวก

โพซิตรอเนียมถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเมื่อปี 1951 แต่พวกเขาพบว่าทำการศึกษามันได้ยากมาก เพราะอะตอมของโพซิตรอเนียมไม่ชอบอยู่นิ่งและเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมันเป็นอะตอมที่มีน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่มนุษย์รู้จัก

อย่างไรก็ตาม หากลดอุณหภูมิให้อะตอมชนิดนี้เย็นตัว มันจะสั่นหรือเคลื่อนที่ช้าลงไปมาก ซึ่งง่ายต่อการที่นักวิทยาศาสตร์จะเข้าศึกษาวิเคราะห์มันอย่างละเอียด

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้อะตอมโพซิตรอเนียมมีอุณหภูมิต่ำสุดได้เพียงที่ 100 องศาเซลเซียส ในภาวะสุญญากาศ แต่ปัจจุบันทีมนักฟิสิกส์ของเซิร์นสามารถลดอุณหภูมิของมันให้ต่ำลงไปได้อีก จนถึงระดับที่ต่ำกว่า -100 องศาเซลเซียสแล้ว โดยใช้เทคนิคการทำความเย็นด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ละเอียดอ่อนซับซ้อนในการฉายลำแสงเลเซอร์ส่องไปยังอะตอม เพื่อให้มันหยุดอยู่นิ่งกับที่ได้มากขึ้น

รายงานวิจัยว่าด้วยการทดลองดังกล่าว ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Physical Review Letters โดยทีมผู้วิจัยบอกว่า พวกเขายังคงต้องพยายามที่จะลดอุณหภูมิของอะตอมโพซิตรอเนียมให้ต่ำลงไปอีก เพื่อให้มันอยู่ในสถานะที่สามารถใช้ทำการศึกษาทดลองได้ดีที่สุด ซึ่งก็คือการแช่แข็งที่อุณหภูมิราว -260 องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม ศ.ไมเคิล ชาร์ลตัน ผู้เชี่ยวชาญด้านโพซิตรอเนียมจากมหาวิทยาลัยสวอนซีของสหราชอาณาจักร ซึ่งไม่ได้เป็นสมาชิกในทีมวิจัยของเซิร์น แสดงความเห็นว่า สิ่งที่ทีมวิจัยสามารถทำได้ในขณะนี้ ก็ถือเป็นความก้าวหน้าที่มีประโยชน์ต่อวงการวิทยาศาสตร์มากแล้ว

ศ. ชาร์ลตัน บอกกับบีบีซีว่า “นี่คือความสำเร็จก้าวแรกที่เป็นกำลังใจอย่างมาก มันคือการเปิดประตูให้มองเห็นแสงสว่างจากอีกด้านหนึ่ง และเชิญชวนให้พวกเราพากันเร่งรุดไปสู่ยุคใหม่แห่งฟิสิกส์โพซิตรอเนียม”

นอกจากทีมวิจัยของเซิร์นแล้ว ยังมีนักฟิสิกส์อีกกลุ่มหนึ่งจากองค์กรวิจัย KEK Slow Positron Facility ที่กรุงโตเกียวของญี่ปุ่น ซึ่งได้ทำการศึกษาเรื่องเดียวกัน และกำลังจะตีพิมพ์เผยแพร่ผลการทดลองที่ออกมาคล้ายคลึงกันอีกด้วย

ดูเหมือนว่าการศึกษาวิจัยโพซิตรอเนียม ได้กลายเป็นการแข่งขันในแวดวงวิทยาศาสตร์ระดับโลกไปแล้ว โดยทีมวิจัยจากนานาประเทศต่างเข้ามามีส่วนเกี่ยวข้อง เพราะสสารลึกลับนี้มีศักยภาพสูงในการนำมาใช้ประโยชน์ในชีวิตจริงได้มากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออนุภาคอิเล็กตรอนและโพซิตรอนรวมตัวเข้าด้วยกัน มันจะสามารถปลดปล่อยพลังงานออกมาได้อย่างมหาศาล ซึ่งอาจจะนำไปสร้างอุปกรณ์ที่ทรงพลังอย่างเลเซอร์รังสีแกมมาได้

การเดินทางข้ามห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว

เลเซอร์พลังงานสูงดังกล่าว อาจมีประโยชน์ต่อการสร้างภาพสแกนทางการแพทย์, การบำบัดรักษาโรคมะเร็ง, และบางคนก็ถึงกับวาดฝันว่า เราอาจนำมันไปใช้ขับเคลื่อนยานอวกาศ โดยสามารถเร่งความเร็วให้ใกล้เคียงกับความเร็วแสงได้ ซึ่งจะทำให้การเดินทางข้ามห้วงอวกาศระหว่างดวงดาวต่าง ๆ เป็นจริงได้ในอนาคต

งานวิจัยเกี่ยวกับอะตอมโพซิตรอเนียมข้างต้นนี้ ดำเนินการโดยโรงงานผลิตปฏิสสารของเซิร์น ซึ่งไม่นานมานี้เพิ่งจะสร้างและกักเก็บอะตอมไฮโดรเจนชนิดที่เป็นปฏิสสาร หรือ “ปฏิไฮโดรเจน” (antihydrogen) ได้สำเร็จ โดยผลิตขึ้นเป็นปริมาณสูงสุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมาในเอกภพของเรา

เมื่อปีที่แล้วนักวิทยาศาสตร์อีกทีมหนึ่ง ได้ทำการทดสอบว่าปฏิไฮโดรเจนตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงแตกต่างไปจากสสารธรรมดาหรือไม่ โดยทดลองปล่อยให้ตกอิสระ เพื่อดูว่ามันจะร่วงหล่นสู่พื้นหรือลอยตัวขึ้น ซึ่งผลปรากฏว่าปฏิไฮโดรเจนตกลงมาเหมือนกับสสารทั่วไป แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่ามันร่วงลงพื้นด้วยอัตราเร็วเท่ากันหรือไม่