นักวิทยาศาสตร์ Fermilab สงสัย "Tevatron อาจพบอนุภาคชนิดใหม่"

By: terminus
Writer
on Thu, 07/04/2011 - 16:12

Tevatron เป็นเครื่องเร่งอนุภาคของ Fermi National Accelerator Laboratory (หรือชื่อเล่นว่า Fermilab) ตั้งอยู่ที่ Batavia รัฐอิลลินอยส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา มันเคยเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก แม้ว่าตอนนี้ตำแหน่งแชมป์ถูก Large Hadron Collider (LHC) ของ CERN สอยไปเสียแล้ว แต่ด้วยความที่ Tevatron ปฏิบัติการมาตั้งแต่ปี 1983 นักวิทยาศาสตร์ของ Fermilab จึงมีข้อมูลการทดลองเยอะมาก ซึ่งถือเป็นข้อได้เปรียบคู่แข่งอื่นๆ การค้นพบ top quark ในปี 1995 ก็มาจากข้อมูลของ Tevatron

นักวิทยาศาสตร์ของ Fermilab ได้นำข้อมูลจากการทดลอง CDF ตั้งแต่ปี 2001-2009 มาวิเคราะห์ พวกเขาพบว่า มีอะไรบางอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีฟิสิกส์มาตรฐานที่มีอยู่ในปัจจุบัน

การทดลอง CDF เป็นการทดลองที่เร่งให้ลำโปรตอนและแอนตี้โปรตอนวิ่งมาชนกันที่พลังงาน 1.96 TeV จากนั้นก็คอยดักตรวจจับอนุภาคและกระแสพลังงานที่เกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์รู้ดีอยู่แล้วว่าการชนกันจะทำให้เกิดอนุภาค W boson และ Z boson ขึ้น แต่ว่าอนุภาคทั้งสองจะสลายตัวไปเป็นอนุภาคอื่นๆ และพลังงานก่อนที่จะมาถึงเครื่องตรวจจับ ดังนั้นงานของนักวิทยาศาสตร์ก็คือการมองหาอนุภาคที่เกิดจากการสลายตัวเหล่านั้น เช่น อิเล็กตรอน, มิวออน เป็นต้น แล้วค่อยคำนวณย้อนกลับไปว่าอนุภาคเหล่านี้เกิดจากการชนที่ไหน เมื่อไร และอย่างไร

และ...แต่น แตน แต๊น... ท่านกำลังจะได้เห็นสิ่งเดียวกับที่นักวิทยาศาสตร์แนวหน้าทั่วโลกได้เห็นและกำลังตื่นเต้นอยู่ในขณะนี้ สิ่งนั้นแสดงไว้อยู่ในกราฟด้านล่าง แกนนอนของกราฟคือพลังงานของอนุภาค แกนตั้งคือจำนวนเหตุการณ์ที่ตรวจจับหรือคาดว่าจะตรวจจับเจออนุภาคที่ค่าพลังงานหนึ่งๆ
(โอเค ผมรู้มันไม่น่าตื่นเต้นหรอก ยังไงมันก็เป็นฟิสิกส์ ใครจะไปตื่นเต้น?)

เครดิตภาพ: Fermilab

รูปทางด้านซ้าย คือ กราฟที่มาจากข้อมูลดิบๆ พื้นที่สีแดงคือพลังงานของอนุภาคที่ได้จากการสลายตัวของ W boson สองตัว หรือ W boson กับ Z boson อย่างละตัว, สีเขียวเป็นของ W boson หนึ่งตัว, สีขาว-ชมพูเป็นของ top quarks, สีน้ำเงินเป็นของ Z boson หนึ่งตัว, ส่วนพื้นที่แรเงาสีเทาเป็นค่า QCD backbround

ที่น่าสนใจคือเส้นสีดำๆ ซึ่งเป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลอง CDF ถ้าสังเกตดีๆ จะเห็นว่าตรงค่าพลังงาน 120-160 GeV เส้นสีดำมันเคลื่อนที่ออกห่างจากพื้นที่สีเขียวๆ ซึ่งเป็นค่าที่มันควรจะเป็นตามทฤษฎี พอมาดูรูปทางขวาซึ่งเป็นกราฟที่ตัดเอาค่าพลังงานแบ็คกราวนด์ทุกอย่างทิ้งไปแล้วเหลือแต่พลังงานที่เป็นผลลัพธ์ของการสลายตัวของ W boson และ Z boson จะเห็นได้ชัดเจนว่าพลังงานที่เครื่องตรวจจับวัดได้มียอดเขาอยู่ 2 ยอด ยอดแรกอยู่ที่ประมาณ 80GeV ยอดนี้คือพลังงานของอนุภาคที่ได้จากการสลายตัวของ W boson สองตัว หรือ W boson กับ Z boson อย่างละตัว ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจอะไร ส่วนอีกยอดหนึ่งอยู่ที่ประมาณ 144 GeV ซึ่งน่าแปลกมากว่ามันคืออะไร และเกิดจากอะไร เพราะมันคือพลังงานส่วนเกินที่ไม่ควรจะมีอยู่ตรงนั้น (jet excess)

นักฟิสิกส์พยายามหาคำอธิบายถึงยอดประหลาดนี้ สิ่งแรกที่พวกเขานึกได้ คือ ความคลาดเคลื่อนทางสถิติ มันอาจจะเป็นเพียงข้อมูลที่กระโดดออกมาจากค่าปกติของกลุ่มตัวอย่างเล็กๆ ก็ได้ ถึงแม้ว่าผลจากการวิเคราะห์ทางสถิติจะระบุว่าโอกาสที่จะเกิดยอดแบบนี้หรือสูงกว่านี้ด้วยความบังเอิญอยู่ที่เพียง 0.00076 ก็ตาม แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่กล้าตัดข้อสรุปเรื่องความบังเอิญทางสถิติทิ้งไป
(อืม... ข่าวนี้มีทั้งสถิติและฟิสิกส์ ดังนั้นหากคุณอ่านแล้วไม่เข้าใจ ก็ขอให้ทำใจสบายๆ เข้าไว้ มีคนอีก 99.99% เป็นพวกเดียวกับคุณ รวมผมด้วย)

อีกคำอธิบายหนึ่ง คือ ยอดประหลาดนี้เกิดจากอนุภาคชนิดใหม่ที่ยังไม่มีการค้นพบมาก่อน เป็นไปได้ว่ามันอาจจะเป็น Higgs boson หรือ "อนุภาคพระเจ้า" ที่นักฟิสิกส์เฝ้าตามหามานานแสนนานก็ได้ แต่สำหรับกรณีของ Higgs boson นั้น นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ค่อนข้างมั่นใจว่ายอดประหลาดนี้ไม่ใช่แน่ๆ เพราะถ้ามันเป็น Higgs boson จริง ตามทฤษฎีมาตรฐานในปัจจุบัน จำนวนการเกิดจะต้องน้อยกว่านี้หลายร้อยเท่า

สิ่งที่ตามมาโดยปริยายหากว่ายอดประหลาดนี้เกิดจากอนุภาคชนิดใหม่ คือ ปัญหาทฤษฎีเกี่ยวกับแรงธรรมชาติพื้นฐาน ซึ่งว่ากันว่ามีอยู่ด้วยกัน 4 ประเภท คือ แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แต่ละแรงก็จะมีอนุภาคที่เป็นตัวแทนของแรงนั้นๆ ถ้าสิ่งที่เกิดขึ้นเป็นอนุภาคชนิดใหม่ ก็เป็นไปได้ว่าเราจะต้องมาแก้ไขเกี่ยวกับเรื่องแรงธรรมชาติพื้นฐานกันใหม่ หนักที่สุดอาจถึงขั้นต้องเพิ่มแรงที่ห้าเข้าไปในทฤษฎีก็เป็นได้

Dan Hooper นักฟิสิกส์ของ Fermilab ให้ชื่อสมมติกับอนุภาคใหม่นี้ว่า Z' boson จากการคำนวณมันจะต้องมีมวล 150 GeV ซึ่งหนักกว่า Z boson ที่เป็นญาติใกล้ชิดกับมัน นอกจากนั้น Z' boson จะต้องมีอันตรกิริยากับ top quarks อย่างรุนแรง แต่ไม่ทำอะไรหรือหลีกเลี่ยงไม่ทำอะไรกับอิเล็กตรอนและมิวออน

สรุปสุดท้าย เป็นอันว่าตอนนี้ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนไหนกล้าฟันธงไปว่ายอดประหลาดนี้เกิดจากอะไรกันแน่ ทุกคนยังคงเฝ้ารอผลการทดลองที่มากกว่านี้เพื่อการยืนยัน จินตนาการ แนวคิดของตัวเอง อย่างไรก็ดี Tevatron ยังมีอีกการทดลองหนึ่งที่ชื่อว่า DZero หรือ D0 หากผลจากการทดลอง D0 มียอดแบบนี้โผล่ขึ้นมาให้เห็นอีก ก็เป็นไปได้ว่านี่เป็นของจริง ไม่ใช่แค่เรื่องบังเอิญ

Tevatron จะหยุดการทำงานเมื่อสิ้นเดือนกันยายน ปี 2011 นี้ด้วยเหตุผลทางด้านงบประมาณ หากข้อมูลจาก Tevatron ยังไม่พอที่จะยืนยันอะไรได้ สุดท้ายเราก็คงต้องหวังพึ่ง LHC พระเอกคนใหม่ของเรา (แต่ถ้าทีมนักวิทยาศาสตร์ของ Fermilab เจออนุภาคใหม่ๆ จริง ไม่แน่ว่า Tevatron ก็อาจจะโชคดีได้ต่ออายุการทำงานไปด้วย)

บทความงานวิจัยฉบับเต็มอยู่ที่ http://arxiv.org/abs/1104.0699 (เป็นบทความวิจัยที่มีชื่อผู้แต่งร่วมเยอะที่สุดเท่าผมเคยเห็นมา ชื่อผู้แต่งอย่างเดียวล่อไปสองหน้าเต็มๆ) และบทความวิจัยเรื่องสมมติฐาน Z' boson อยู่ที่ http://arxiv.org/abs/1103.6035

ที่มา - ars technica, US LHC Blog, Science News

13 Comments

ballsaii's picture

เพิ่มเติม

CERN โดนขโมยซีน

ผมก็กำลังจะลงเหมือนกัน อ๊าก

ballsaii's picture

เขียนได้ละเอียดดีครับ ชอบๆ จบฟิสิกส์มารึป่าวครับ

terminus's picture

ป่าวครับ ผมจบชีววิทยา ถนัดกีฏวิทยา (ผมใช้คำว่า "ถนัด" เพราะมหา'ลัยที่ผมเรียน[ข้อมูลปกปิด]ไม่มีเลือกวิชาเอก)

แต่ยังไงตอนปีหนึ่ง มหา'ลัยที่ผมเรียน[ข้อมูลปกปิด]ก็ให้เรียนรวมๆ กันทั้งคณะ แล้วค่อยแยกภาคตอนปีสอง ผมเลยมีพื้นฐานปนๆ กันไป

ข่าวเวอร์ชันนี้ต้องให้เครดิตกับ ars technica ครับ ที่เขียนอ่านได้ง่ายและละเอียดพอให้คนที่มีพื้นฐานแค่ฟิสิกส์ปีหนึ่งอ่านได้ ทุกทีผมมักผิดหวังกับข่าววิทย์ที่ ars เพราะเว็บอื่นๆ จะเขียนดีกว่า แต่ข่าวนี้กลับกัน

neizod's picture

คุณ terminus ที่จริงแล้วเป็นคุณอาฐาฮินะเหรอครับ?

hisoft's picture

อาฐาฮินะคืออะไรเหรอครับ? ไม่รู้จริงๆ

The Phantom Thief

terminus's picture

ใช่อาซาฮินะในเรื่องฮารุฮิป่าวครับ? ^.^

ผมไม่สามารถเอ่ยชื่อมหา'ลัยได้ เนื่องจากผมมีแผนจะนินทามหา'ลัยนั้นอยู่ครับ

แต่ผมว่าหลายคนคงรู้แล้วแหละว่ามันคือ ม. อะไร

hisoft's picture

ถ้าเป็น Higg จริงๆ แล้วเยอะกว่าที่คาดนี่ o_O

The Phantom Thief