ซูเปอร์คอมพิวเตอร์อาจช่วยเผย "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืด

By: tonwachara on Sat, 05/11/2016 - 10:52

ทีมนักวิจัยได้ตีพิมพ์บทความวิชาการลงในนิตยสาร Nature กล่าวถึงการใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ช่วยวิเคราะห์อนุภาคอันอาจเป็น "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืดโดยวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จากการสำรวจเอกภพ และพบว่าอนุภาคที่คำนวณได้มีมวลสอดคล้องกับที่ตั้งสมมติฐานไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน (standard model) และ quantum chromodynamics (QCD)

สสารมืด (dark matter) เป็นชื่อเรียกมวลสารในเอกภพซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังตรวจจับไม่ได้โดยตรง แต่รู้ว่ามีอยู่โดยวิเคราะห์จากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของมัน อันส่งผลต่อการหดขยายตัวของเอกภพและการโคจรของกาแล็กซี โดยประเมินว่าสสารมืดนี้มีอยู่ถึงร้อยละ 22 ของมวล-พลังงานทั้งหมดเอกภพ (วัตถุที่ตรวจจับได้มีเพียงร้อยละ 4 เท่านั้น ส่วนที่เหลืออีกร้อยละ 74 คือพลังงานมืดซึ่งส่งผลให้เอกภพขยายตัว ตรงข้ามกับสสารมืดที่ส่งผลให้เอกภพหดตัว) นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามวิเคราะห์หาอนุภาคอันเป็น "ส่วนผสม" ของสสารมืดนี้

จากสมบัติที่ตรวจจับได้ยาก นักวิทยาศาสตร์จึงทราบว่าอันตกิริยา (interaction) ระหว่างอนุภาค "ส่วนผสม" ของสสารมืดกับอนุภาคอื่น ๆ นั้นต้องอ่อนมาก ๆ เช่น การไม่มีประจุไฟฟ้า เป็นต้น การตรวจจับสสารมืดจึงเน้นไปที่ "มวล" อันเป็นคุณสมบัติสำคัญของสสารมืดนี้ จากมวลที่มหาศาลของมัน สมมติฐานการก่อตัวของสสารมืดจึงแบ่งออกเป็น 2 แบบคือ การก่อตัวจากอนุภาคมวลหนักจำนวนน้อย หรืออนุภาคมวลเบาจำนวนมาก

ทางทีมวิจัยนี้ได้เลือกสมมติฐานการก่อตัวแบบหลัง โดยเลือกคำนวณบนสมมติฐานที่ว่าอนุภาคแอกเซียน (axion) อาจเป็น "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืด อนุภาคแอกเซียนเป็นอนุภาคทางทฤษฎีที่เสนอขึ้นเมื่อปี 1977 เพื่อตอบปัญหาในทาง quantum chromodynamics (QCD) ว่าทำไม QCD จึงไม่ละเมิดลักษณะสมมาตรแบบชาร์จพาริตี (charge parity symmetry) หรือที่เรียกว่า ปัญหาซีพีแบบเข้ม (strong CP problem) แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่าอนุภาคแอกเซียนเป็นอนุภาคมวลเบา โดยเบากว่าอิเล็กตรอนระดับพันล้านเท่า ไม่มีประจุไฟฟ้า และไม่มีสปิน จึงมีอันตกิริยากับแรงโน้มถ่วงและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเท่านั้น ด้วยเหตุดังกล่าว อนุภาคแอกเซียนได้รับการคัดเลือกว่าอาจเป็น "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืด ในสมมติฐานการก่อตัวแบบอนุภาคมวลเบาจำนวนมาก

นักวิจัยได้ใช้ข้อมูลการกระจายตัวของอุณหภูมิและมวลสารในเอกภพ และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ช่วยคำนวณความเป็นไปได้ของการให้อนุภาคแอกเซียนเป็น "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืด และจำลองการก่อตัวของเอกภพ พบว่าเพื่อให้เอกภพก่อตัวสอดคล้องกับที่เราสังเกตได้ในปัจจุบัน ต้องเบากว่าอิเล็กตรอนระดับพันล้านเท่า ซึ่งสอดคล้องกับมวลที่ทำนายได้จากแบบจำลองมาตรฐาน จึงมีส่วนยืนยันว่าอนุภาคแอกเซียนอาจเป็น "ส่วนผสม" สำคัญของสสารมืด

ทฤษฎีนี้ทำนายว่าอนุภาคนี้ก่อตัวขึ้นจากการกระเพื่อมเชิงควอนตัม (quantum fluctuation) ซึ่งเฉลี่ยทั้งเอกภพแล้ว อนุภาคแอกเซียนจะก่อตัวขึ้นสิบล้านตัวต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร แต่ไม่ได้ก่อตัวสม่ำเสมอในทุกบริเวณ เนื่องจากการเรียงตัวของมวลสารในเอกภพมีโครงสร้างคล้ายร่างแห ดังนั้นบริเวณที่เป็นกระจุก เช่น บริเวณกระจุกกาแลคซีของเรา อนุภาคแอกเซียนอาจก่อตัวได้ถึงหนึ่งล้านล้านล้านตัว (trillion) ต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรเลยทีเดียว

อย่างไรก็ดี สมมติฐานที่ว่าสสารมืดเกิดจากแอกเซียนเป็นหลักยังต้องได้รับการพิสูจน์ต่อไป หากแต่การคำนวณนี้ช่วยให้นักวิจัยพุ่งเป้าหมายในการตรวจจับสสารมืดได้ชัดเจนมากขึ้น ดังที่ Andreas Ringwald จากสถาบัน Deutsches Elektronen-Synchrotron ประเทศเยอรมนี หนึ่งในทีมวิจัยกล่าวว่า "การคำนวณนี้มีส่วนช่วยสำคัญที่ทำให้เรารู้ว่าควรตรวจจับอนุภาคที่มวลระดับใด ? มิฉะนั้นการค้นหาอาจกินเวลาหลายทศวรรษ เนื่องจากขอบเขตการค้นหาที่กว้าง" และ Zoltán Fodor จากมหาวิทยาลัย Wuppertal ประเทศเยอรมนี้ได้กล่าวว่า "ผลการวิจัยเหล่านี้อาจทำให้เกิดการแข่งขันที่จะตรวจจับอนุภาคเหล่านี้มากขึ้น"

ที่มา: Science Alert Eurekalert

3 Comments

waroonh's picture

ผมเข้ามาอ่าน ราวๆ เดือนละครั้ง เห็นเงียบกันไปหมดเลย นึกว่าจะไม่มีใครเขียนเพิ่ม แล้วซะอีกครับ