นักฟิสิกส์ค้นพบอนุภาคใหม่ เครือญาติ “ฮิกส์โบซอน” คาดช่วยไขปริศนาสสารมืด

นักฟิสิกส์ในสหรัฐฯ ค้นพบอนุภาคใหม่ที่เป็นรูปแบบหนึ่งของ "ฮิกส์โบซอน" (Higgs Boson) โดยมันสามารถทำให้อนุภาคชนิดอื่นมีมวลขึ้นมาได้เช่นเดียวกัน แต่กลับมีพลังแม่เหล็กผลักดันการหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมที่อนุภาคฮิกส์ไม่มี ทั้งยังน่าสงสัยว่ามันอาจเป็นสสารมืด (dark matter) ที่ตามหากันมานานด้วย

อนุภาคค้นพบใหม่นี้มีชื่อว่า "แอ็กเซียลฮิกส์โบซอน" (axial Higgs Boson) หรืออนุภาคฮิกส์ในโหมดที่มีแกนหมุน (axial Higgs mode) อันที่จริงแล้วมันคือสถานะกระตุ้นโดยรวมของอนุภาคในระบบสสารควบแน่น (condensed matter) ซึ่งเป็นการสั่นของสนามควอนตัมแบบหนึ่งนั่นเอง

ตามปกติแล้วการค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ ๆ จำเป็นจะต้องใช้เครื่องเร่งและชนอนุภาคพลังงานสูงที่ทำงานในอุณหภูมิต่ำสุดขั้วอย่างเช่น LHC แต่ทว่าในครั้งนี้ อนุภาคแอ็กเซียลฮิกส์โบซอนกลับถูกค้นพบด้วยชุดอุปกรณ์เลเซอร์ง่าย ๆ ขนาดกะทัดรัดจนวางบนโต๊ะตัวเล็กได้ ทั้งยังเกิดขึ้นในสภาพอุณหภูมิห้องอีกด้วย

ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ระบุว่า ทีมผู้วิจัยได้ทดลองยิงเลเซอร์ที่มีแสงสี ผ่านเข้าไปในผลึกคริสตัลของไทรเทลลูไรด์ (Tritelluride - RTe3) ซึ่งเป็นแร่ธาตุหายากชนิดหนึ่ง จากนั้นจะเกิดการกระเจิงของแสงที่เปลี่ยนสีของเลเซอร์ไป เนื่องจากคลื่นแสงคายพลังงานออกมาจนมีความถี่ต่ำลง

พลังงานที่ได้จากการกระเจิงของแสง จะไปกระตุ้นอิเล็กตรอนของแร่ RTe3 ให้จัดเรียงตัวเป็นคลื่นที่มีความหนาแน่นของประจุไฟฟ้าผันผวนไปมา จนทำให้เกิดอนุภาคฮิกส์ในโหมดที่มีแกนหมุน (axial Higgs mode) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ถูกค้นพบใหม่ในที่สุด

เมื่อทีมผู้วิจัยทดลองหมุนผลึกคริสตัลของ RTe3 พวกเขาพบว่าอนุภาคชนิดใหม่ที่เกิดขึ้นสามารถควบคุมโมเมนตัมเชิงมุมหรือสปิน (spin) ของบรรดาอิเล็กตรอนได้อีกด้วย แสดงว่าอนุภาคฮิกส์ในโหมดนี้มีโมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) หรือพลังที่สร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาผลักดันการหมุนได้นั่นเอง

ศาสตราจารย์เคนเนธ เบิร์ช นักฟิสิกส์ผู้นำทีมวิจัยจากวิทยาลัยบอสตัน (Boston College) ของสหรัฐฯ อธิบายถึงกระบวนการข้างต้นว่า "ฮิกส์โบซอนและอนุภาคที่เป็นญาติของมัน จะถือกำเนิดขึ้นเมื่อมีการทำลายสมมาตร (symmetry breaking) ของระบบฟิสิกส์ในธรรมชาติ ซึ่งจะทำให้เหล่าอนุภาคมีคุณสมบัติแบบต่าง ๆ เกิดขึ้น"

"ในกรณีของฮิกส์โบซอนธรรมดา มีการทำลายสมมาตรเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว ซึ่งทำให้มันมีคุณสมบัติเพียงในด้านของพลังงานเท่านั้น ในขณะที่แอ็กเซียลฮิกส์โบซอนเกิดจากการทำลายสมมาตรหลายครั้งในหลายด้าน ทำให้มันมีคุณสมบัติที่ซับซ้อนเกี่ยวกับพลังแม่เหล็กเพิ่มขึ้นมาด้วย"

"เราสามารถทำการควบคุมเชิงควอนตัมกับอนุภาคฮิกส์ชนิดใหม่นี้ได้ เพียงใช้เทคนิคง่าย ๆ เข้าเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชัน (polarization) ของแสงเท่านั้น วิธีนี้อาจช่วยให้เราสังเกตเห็นอนุภาคชนิดใหม่ ๆ ที่ยังไม่ถูกค้นพบได้อีกมาก โดยไม่ต้องลงทุนลงแรงสร้างเครื่องชนอนุภาคหรือห้องทดลองในสภาวะสุดขั้วอีกต่อไป" ศ. เบิร์ชกล่าว