นักวิทยาศาสตร์พบวิธีใหม่ในการค้นหา "อนุภาคผี" ลึกลับ

นักฟิสิกส์บางคนมีความสงสัยมาอย่างยาวนานแล้วว่า "อนุภาคผี" (ghost particles) ที่มีอยู่บนโลกรอบ ๆ ตัวเรา อาจช่วยพัฒนาความรู้ความเข้าใจของเราต่อธรรมชาติที่แท้จริงของเอกภพได้อย่างมาก

ล่าสุด นักวิทยาศาสตร์คิดว่า พวกเขาได้ค้นพบวิธีการที่จะพิสูจน์ว่า "อนุภาคผี" มีอยู่จริงหรือไม่

องค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น (CERN) ได้อนุมัติการทดลองที่ออกแบบมาเพื่อค้นหาหลักฐานการมีอยู่ของพวกมัน

เครื่องมือใหม่ที่ใช้ในการตรวจจับจะมีความไวต่ออนุภาคดังกล่าว มากกว่าเครื่องมือที่มีมาก่อนหน้านี้ถึงหนึ่งพันเท่า

เครื่องมือใหม่นี้จะใช้วิธียิงอนุภาคให้แตกละเอียดบนพื้นผิวที่มีความแข็งเพื่อตรวจจับอนุภาคผี แทนวิธีการก่อนหน้านี้ที่ใช้การยิงอนุภาคให้มาชนกันเองในเครื่อง LHC (Large Hadron Collider) ซึ่งเป็นอุปกรณ์หลักขององค์การเซิร์น

"อนุภาคผี" คืออะไร

"อนุภาคผี" คืออะไร และเหตุใดจึงต้องหาวิธีใหม่ ๆ ในการตรวจจับมันด้วย

ทฤษฎีปัจจุบันที่ใช้อธิบายฟิสิกส์ของอนุภาค (particle physics) ถูกเรียกว่า แบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ซึ่งอธิบายว่า ทุกสิ่งทุกอย่างบนจักรวาลนี้ประกอบขึ้นด้วยอนุภาคมูลฐานจำนวน 17 ชนิด อนุภาคที่เป็นที่รู้จักกันดี ได้แก่ อิเล็กตรอน และฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ส่วนอนุภาคที่เป็นที่รู้จักน้อยกว่าก็เช่น ชาร์มควาร์ก (charmquark), เทา นิวทริโน (tau neutrino) และกลูออน (gluon)

อนุภาคบางชนิดมีการผสมกันข้ามอนุภาคก่อนก่อตัวจนมีขนาดใหญ่ขึ้น ทว่ายังคงมีขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งประกอบกันเป็นโลกรอบ ๆ ตัวเรา รวมทั้งดวงดาวและกาแล็กซีที่เราเห็นในอวกาศ ในขณะที่อนุภาคอื่น ๆ เกี่ยวข้องกับแรงในธรรมชาติ

อย่างไรก็ดี มีปัญหาบางประการเกิดขึ้นหลังจากนักดาราศาสตร์ได้สังเกตเห็นบางสิ่งบางอย่าง เช่น วิธีการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี ซึ่งถือเป็นข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่า สิ่งที่เราสามารถสังเกตเห็นได้นั้นคิดเป็นเพียง 5% ของจักรวาลเท่านั้น

ดังนั้น บางส่วนหรือกระทั่งจักรวาลที่เหลือทั้งหมดอาจประกอบขึ้นจาก "อนุภาคผี" หรือ "อนุภาคที่ซ่อนอยู่" ทั้งนี้ เชื่อกันว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นฝาแฝดผีของอนุภาคมูลฐาน 17 ชนิดในแบบจำลองมาตรฐาน

ถ้าพวกมันมีอยู่จริง มันก็สามารถตรวจจับได้ยากมาก เพราะว่าอนุภาคเหล่านี้แทบจะไม่มีปฏิกิริยากับโลกที่เรารู้จัก จึงเปรียบเสมือนเป็น "ผี" ที่ทะลุผ่านทุกสิ่ง และไม่มีอุปกรณ์หรือเครื่องมือใดในโลกที่ตรวจจับได้

แต่ทฤษฎีก็คือ อนุภาคผีเหล่านี้สามารถแตกตัวกลายเป็นอนุภาคที่มีอยู่ในแบบจำลองมาตรฐานได้ (แม้ว่าจะเกิดขึ้นได้ยากมากก็ตาม) และปรากฏการณ์นี้สามารถถูกตรวจพบได้ด้วยเครื่องตรวจจับ เครื่องมือใหม่ของเซิร์นได้เพิ่มโอกาสในการตรวจจับการสลายตัวเหล่านี้โดยเพิ่มจำนวนการชนกันอย่างมหาศาล

แทนที่จะชนอนุภาคเข้าด้วยกันเหมือนเช่นการทดลองหลายครั้งที่เกิดขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ โครงการการค้นหาอนุภาคที่ซ่อนอยู่ (Search for Hidden Particles: SHiP) จะทำการยิงอนุภาคเหล่านี้ให้ไปชนกับแผ่นวัตถุชิ้นใหญ่ ซึ่งหมายความว่าอนุภาคทั้งหมดจะถูกทำให้แตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ทั้งหมด ไม่ใช่แค่เพียงบางส่วน ดังที่แผนภาพได้แสดงให้เห็นว่าวิธีการพุ่งเป้าอย่างเฉพาะเจาะจงเช่นนี้มีประสิทธิภาพมากกว่า

ศาสตราจารย์อังเดรย์ โกลูตวิน นักวิชาการจากมหาวิทยาลัยอิมพีเรียลคอลเลจแห่งลอนดอน หัวหน้าโครงการโกสต์บัสเตอร์ กล่าวว่า การทดลองนี้ถือเป็นยุคใหม่ของการค้นหาอนุภาคที่ซ่อนอยู่

"โครงการการค้นหาอนุภาคที่ซ่อนอยู่ (SHiP) มีความเป็นไปได้อย่างโดดเด่นในการไขปัญหาหลักหลายปัญหาของฟิสิกส์อนุภาค และเรามีเป้าหมายที่จะค้นหาอนุภาคที่ไม่เคยค้นพบเห็นมาก่อนด้วย" เขากล่าว

การค้นหาอนุภาคผีจำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่ได้รับการปรับแต่งมาเป็นการเฉพาะ

การทดลองแต่เดิมซึ่งใช้เครื่องชนอนุภาค LHC สามารถตรวจจับอนุภาคชนิดใหม่ได้ไกลจากจุดที่เกิดการชนกันของอนุภาคมากสุดไม่เกิน 1 เมตร แต่กับอนุภาคผี เราอาจต้องรอให้มันเดินทางเป็นระยะทางหลายสิบเมตร ไปจนถึงหลายร้อยเมตร กว่าที่มันจะแตกตัวและทำให้เราตรวจจับได้ ดังนั้น เครื่องตรวจจับอนุภาคที่ซ่อนอยู่ (SHiP) จึงต้องถูกวางไว้ในตำแหน่งที่ไกลออกไปมากขึ้นมาก

'พวกเราคือนักสำรวจ'

ศาสตราจารย์มิเทช พาเทล แห่งมหาวิทยาลัยอิมพีเรียลคอลเลจแห่งลอนดอน อธิบายวิธีการใหม่นี้ว่า “หลักแหลมยิ่งนัก”

"สิ่งที่ดึงดูดฉันเกี่ยวกับการทดลองนี้ ก็คืออนุภาคเหล่านี้มันอยู่แค่ตรงใต้จมูกเรา แต่พวกเราไม่เคยสามารถมองเห็นมันได้ เนื่องด้วยวิธีที่พวกมันมีหรือไม่มีปฏิสัมพันธ์[กับสิ่งต่าง ๆ]"

"พวกเราคือนักสำรวจ และเราเชื่อว่า เราสามารถเห็นบางสิ่งที่น่าสนใจในดินแดนใหม่นี้ได้ ดังนั้น พวกเราจึงต้องลองดู"

ตามการเปิดเผยของ ดร.คลอเดีย อาห์ดิดา นักฟิสิกส์จากองค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น เปิดเผยว่า เครื่องตรวจจับ SHiP จะถูกสร้างขึ้นในอาคารที่มีอยู่แล้วขององค์การเซิร์น

"เราจะใช้ถ้ำอุโมงค์ที่มีอยู่เดิม รวมทั้งโครงสร้างพื้นฐานและส่วนประกอบต่าง ๆ ซึ่งเราพยายามจะนำกลับมาใช้ใหม่ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และสิ่งที่เรามีจะเป็นเครื่องอำนวยความสะดวกที่ช่วยให้เราค้นหาส่วนที่ซ่อนอยู่ ซึ่งไม่เคยมีใครเห็นมาก่อนได้" เธอกล่าว

โครงการสร้างเครื่องตรวจจับอนุภาค SHiP จะดำเนินการควบคู่ไปกับโครงการทดลองอื่น ๆ ของเซิร์น อันได้แก่ เครื่องชนอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดอย่าง LHC ซึ่งได้พยายามค้นหาอนุภาคที่หายไปของจักรวาลจำนวน 95% นับตั้งแต่สร้างเสร็จเมื่อปี 2008 ด้วยงบประมาณ 3.75 พันล้านปอนด์ (กว่า 1.72 แสนล้านบาท)

อย่างไรก็ดี เครื่องชนอนุภาค LHC ยังไม่เคยพบอนุภาคที่ไม่ใช่อนุภาคที่มีในแบบจำลองมาตรฐาน ดังนั้น แผนการคือการก่อสร้างเครื่องจักรที่มีขนาดใหญ่กว่าเครื่อง LHC ถึง 3 เท่า และทรงพลังกว่ามาก

เครื่องชนอนุภาควงกลมแห่งอนาคต (Future Circular Collider) หรือเอฟซีซี (FCC) มีงบประมาณการก่อสร้างเริ่มต้น 12,000 ล้านปอนด์ หรือกว่า 5.5 แสนล้านบาท โดยมีกำหนดเริ่มต้นก่อสร้างตามแผนในช่วงกลางทศวรรษ 2040 แต่เชื่อว่าจะยังไม่สามารถทำงานเต็มศักยภาพเพื่อค้นหาอนุภาคชนิดใหม่ได้จนกว่าจะถึงปี 2070

ในทางตรงกันข้าม การทดลองของเครื่องตรวจจับอนุภาค SHiP มีแผนที่จะเริ่มการค้นหาอนุภาคชนิดใหม่ในปี 2030 และมีต้นทุนในการก่อสร้างถูกกว่าเครื่อง FCC นับร้อยเท่า หรือที่ประมาณ 100 ล้านปอนด์เท่านั้น แต่กลุ่มนักวิจัยกล่าวว่า จำเป็นต้องค้นหาวิธีการทั้งหมดเพื่อสำรวจความเป็นไปได้ทุกทางในการหาอนุภาค ซึ่งพวกเขาระบุว่า เป็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งของวงการฟิสิกส์