การค้นพบอนุภาคฮิกส์ Higgs Boson อนุภาคพระเจ้า การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ทางฟิสิกส์อนุภาค ในคริสต์ศตวรรษที่ 21

อนุภาคฮิกส์ (Higgs particle) หรือ ฮิกส์โบซอน (Higgs boson) เป็นอนุภาคมูลฐาน(Elementary particle) ชนิดหนึ่ง ตามแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) จัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคโบซอน นักวิทยาศาสตร์พยายามทำการทดลองเพื่อค้นหาการเกิดของอนุภาคนี้ จนเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 เซิร์น ประกาศว่าได้ค้นพบอนุภาคที่คาดว่าจะเป็นอนุภาคฮิกส์ โดยมีความแม่นยำสูงถึง 99.9999 เปอร์เซ็นต์      

อนุภาคฮิกส์จัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคโบซอน เนื่องจากมีค่าสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม (เหมือนกับอนุภาคอื่น ๆ ในกลุ่มโบซอน) และตามทฤษฎีต้องใช้พลังงานมหาศาลในการตรวจจับอนุภาคชนิดนี้ ซึ่งจะเกิดขึ้นจากการชนของอนุภาค อนุภาคฮิกส์เป็นอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวที่ยังไม่เคยได้รับการค้นพบ แต่มีการทำนายว่ามีอยู่จริงตามแบบจำลองมาตรฐาน อย่างไรก็ตามเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 เซิร์นได้ค้นพบ “อนุภาคที่คล้ายอนุภาคฮิกส์” ซึ่งขณะนี้กำลังวิเคราะห์เพื่อยืนยันว่าเป็นอนุภาคฮิกส์จริง

 standard-modelตารางแสดงอนุภาคมูลฐานตามแบบจำลองมาตรฐาน (ภาพ : AAAS)
ที่มา : https://www.nstda.or.th/images/table%201.jpg

อนุภาคชนิดนี้มีบทบาทพิเศษในแบบจำลองมาตรฐาน กล่าวคือเป็นอนุภาคที่อธิบายว่าทำไมอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เช่น ควาร์ก อิเล็กตรอน ฯลฯ (ยกเว้นโฟตอนและกลูออน) ถึงมีมวลได้ และที่พิเศษกว่าคือ สามารถอธิบายว่าทำไมอนุภาคโฟตอนถึงไม่มีมวล ในขณะที่อนุภาค W และ Z โบซอนถึงมีมวลมหาศาล ซึ่งมวลของอนุภาคมูลฐาน รวมไปถึงความแตกต่างระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอันเกิดจากอนุภาคโฟตอน และอันตรกิริยาอย่างอ่อนอันเกิดจากอนุภาค W และ Z โบซอนนี่เอง เป็นผลสำคัญอย่างยิ่งที่ประกอบกันเกิดเป็นสสารในหลายรูปแบบ ทั้งที่เรามองเห็นและมองไม่เห็น ทฤษฎีอิเล็กโตรวีค (electroweak) กล่าวไว้ว่า อนุภาคฮิกส์เป็นตัวผลิตมวลให้กับอนุภาคเลปตอน (อิเล็กตรอน มิวออน เทา) และควาร์ก

เนื่องจากอนุภาคฮิกส์มีมวลมากแต่สลายตัวแทบจะทันทีที่ก่อกำเนิดขึ้นมา จึงต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากในการตรวจจับและบันทึกข้อมูล ซึ่งการทดลองเพื่อพิสูจน์ความมีตัวตนของอนุภาคฮิกส์นี้จัดทำโดยองค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN) โดยทดลองภายในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) และเริ่มต้นการทดลองตั้งแต่ต้นปี พ.ศ. 2553 จากการคำนวณตามแบบจำลองมาตรฐานแล้ว เครื่องเร่งอนุภาคจะต้องใช้พลังงานสูงถึง 1.4 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) ในการผลิตอนุภาคมูลฐานให้มากพอที่จะตรวจวัดได้     

วันที่ 12 ธันวาคม พ.ศ. 2554 ทีม ATLAS และทีม CMS ของเซิร์น ประกาศว่าได้ค้นพบข้อมูลที่อาจแสดงถึงการค้นพบฮิกส์โบซอน และในวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 ทั้งสองทีมได้ออกมาประกาศว่าได้ค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ ซึ่งเรียกได้ว่าเป็น “อนุภาคที่สอดคล้องกับอนุภาคฮิกส์” มากที่สุด มีมวลประมาณ 125 GeV/c2 (ประมาณ 133 เท่าของโปรตอน หรืออยู่ในระดับ 10-25 กิโลกรัม) และนับจากนี้จะมีการวิเคราะห์และตรวจสอบผลอย่างละเอียดเพื่อพิสูจน์ว่าอนุภาคดังกล่าวเป็นอนุภาคฮิกส์จริง อนุภาคที่ตรวจพบจากการทดลองนี้มีคุณสมบัติของอนุภาคฮิกส์ตามที่ทฤษฎีได้ทำนายไว้ หากเป็นอนุภาคฮิกส์จริงก็จะเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่สุดที่สนับสนุนแบบจำลองมาตรฐาน         

การวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จาก CMS และ ATLAS ทำให้ทราบว่าในการทดลอง 2 ชุด ชุดที่ 1 หลังจากทดลองยิงโปรตอน 2 ตัวเข้าหากันด้วยพลังงานรวม 8 TeV เกิดฮิกส์โบซอนขึ้น ก่อนสลายตัวกลายเป็นโฟตอนคู่หนึ่ง

higgs-photonภาพการวิเคราะห์ข้อมูลชุดนี้ แสดงผลหลังการชนกันของโปรตอน 2 ตัวที่มีพลังงาน
ระดับ 8 TeV ได้เป็น “ฮิกส์โบซอน” ที่แตกตัวต่อกลายเป็นโฟตอน 2 ตัว
แสดงด้วยเส้นประสีเหลืองและแท่งสีเขียว (ภาพ : CERN)
ที่มา : https://www.nstda.or.th/images/gammagamma_run194108_evt564224000_ispy_3d-annotated-2-50.png

  ส่วนในการทดลองที่ 2 โปรตอน 2 ตัวชนกันด้วยพลังงานรวม 8 TeV เช่นกัน มีฮิกส์โบซอนเกิดขึ้น ก่อนสลายกลายไปเป็น Z boson 1 คู่ ซึ่งต่อมา Z boson ดังกล่าวตัวหนึ่งก็กลายไปเป็นอิเล็กตรอน คู่หนึ่ง ในขณะที่ Z boson อีกตัวหนึ่งสลายกลายไปเป็นมิวออน (muon) คู่หนึ่ง ในการทดลองทั้งคู่ดังกล่าว อนุภาคฮิกส์โบซอนที่พบมีมวลราว 125 GeV เท่าๆ กัน

 higgs-z-bozonภาพการวิเคราะห์ข้อมูลชุดนี้ แสดงผลหลังการชนกันของโปรตอน 2 ตัวที่มีพลังงานระดับ 8 TeV
ได้เป็นฮิกส์โบซอนที่แตกตัวต่อกลายเป็น Z boson 2 ตัวที่แตกตัวต่อไปกลายเป็น
อิเล็กตรอน 2 ตัว (เส้นและแถบเขียว) และมิวออน 2 ตัว (เส้นสีแดง) (ภาพ : CERN)
ที่มา : https://www.nstda.or.th/images/eemm_run195099_evt137440354_ispy_3d-annotated-2-50.png

ทั้งนี้ แนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคฮิกส์ และสนามพลังฮิกส์เกิดขึ้นราวปี พ.ศ. 2507 (ค.ศ. 1964) โดยนักวิทยาศาสตร์หลายคน ได้แก่ ฟรองซัว อองเกลอร์ (François Englert) และ โรเบิร์ต เบราท์ (Robert Brout) ในเดือนสิงหาคม, ปีเตอร์ ฮิกส์ ในเดือนตุลาคม รวมถึงงานวิจัยอิสระอีกสามชุดโดย เจอรัลด์ กูรัลนิค (Gerald Guralnik) ซี.อาร์.เฮเกน (C. R. Hagen) และ ทอม คิบเบิล (Tom Kibble) ในฤดูใบไม้ผลิปี พ.ศ. 2506 (ค.ศ. 1963)

เลออน เลเดอร์แมน (Leon Lederman) นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลชาวอเมริกัน ตั้งชื่ออนุภาคฮิกส์ว่า “อนุภาคพระเจ้า” (God particle) ในหนังสือ The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? ของเขา และทำให้ชื่อนี้กลายเป็นคำเรียกติดปากคนนอกชุมชนวิทยาศาสตร์ไปในที่สุด แต่นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงหลายคนไม่เห็นด้วยและไม่ชอบชื่อนี้

ผลการทดลองค้นพบอนุภาคฮิกส์ น่าเชื่อถือได้เพียงใด ?

นักฟิสิกส์ประเมินค่าความน่าเชื่อถือของการทดลองนี้ว่า ในทางสถิติโอกาสที่สิ่งที่ตรวจพบเป็นแค่ความแปรปรวนทางสถิติเท่านั้น มีโอกาสเกิดเพียงแค่ 1 ใน 3 ล้านเท่านั้น แต่ทาง CERN และสำนักข่าวหลายแห่งก็ยังใช้คำว่า อนุภาคคล้ายฮิกส์โบซอน (Higgs-like boson) ในการแถลงข่าวคราวนี้ ทีมวิจัยที่ CERN วางแผนจะทดสอบซ้ำและตรวจวัดสมบัติอื่นๆ เพิ่มเติมอีก เช่น ค่า spin และ parity

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าอนุภาคใหม่ที่ค้นพบนี้จะเป็นฮิกส์โบซอนจริงหรือไม่ การค้นพบครั้งนี้ก็คล้ายกับการเปิดประตูบานใหม่ด้านฟิสิกส์อนุภาค และมีโอกาสไม่น้อยที่จะนำไปสู่สิ่งใหม่ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยคาดคิดมาก่อน

เรียบเรียงจาก
1. th.wikipedia.com/อนุภาคฮิกส์
2. http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/8572-cern-higgs-boson

แหล่งเรียนรู้เพิ่มเติม; ขอบคุณข้อมูลจาก สวทช.
1. เว็บไซต์ข้อมูลการค้นพบฮิกส์โบซอนของ CMS http://cms.web.cern.ch/news/observation-new-particle-mass-125-gev
2. ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับฮิกส์โบซอนใน BBC http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16116236
3. ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับฮิกส์โบซอนใน Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson
4. VDO เกี่ยวกับฮิกส์โบซอนของ Minute Physics http://www.youtube.com/watch?v=9Uh5mTxRQcg&feature=share
5. ข่าวการประกาศการค้นพบของ CERN ใน BBC http://www.bbc.co.uk/news/world-18702455
6. ข่าวการประกาศการค้นพบของ CERN ในเว็บ Phys Org พร้อม Live Video จาก CERN http://phys.org/news/2012-07-cern-physicists-strong-evidence-particle.html#ajTabs

 



Leave a Comment