Embedded Files
บทเรียนออนไลน์
2.5 การค้นพบฮิกส์โบซอน
อนุภาคฮิกส์ หรือ ฮิกส์โบซอน ได้รับการทำนายไว้ในปี ค.ศ. 1964 โดย ฮิกส์ (Peter Higgs) อองแกลท์ (Francis Englert) และ เบราท์ (Robert Brout) รวมทั้ง นักฟิสิกส์อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อแก้ปัญหาความไม่ลงตัวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานกับผลการทดลองที่มีอยู่ในช่วงเวลานั้น โดยฮิกส์ อองแกลท์ และ เบราท์ ได้เสนอว่า ในพื้นที่ทุก ๆ แห่งในเอกภพ มีสนามชนิดหนึ่ง (ที่ภายหลังเรียกว่า สนามฮิกส์ หรือ Higgs field) กระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ และอันตรกิริยาที่อนุภาคมูลฐานมีกับสนามฮิกส์นี้ ทำให้อนุภาคมูลฐานเหล่านั้นมีมวล
ข้อเสนอเกี่ยวกับสนามฮิกส์ ได้รับการยอมรับจากวงการฟิสิกส์อนุภาคเป็นอย่างดี เพราะนอกจากจะช่วยแก้ปัญหาความไม่สอดคล้องกับผลการทดลองแล้ว ยังช่วยให้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานมีความสมมาตรและลงตัวอย่างงดงาม แต่อย่างไรก็ตาม การยืนยันถึงความถูกต้องของแนวคิดที่ฮิกส์นำเสนอ ยังต้องได้รับการพิสูจน์ นั่นคือ การหาหลักฐานว่า อนุภาคฮิกส์ หรือ ฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ซึ่งเป็นสถานะทางควอนตัมของสนามฮิกส์ มีอยู่จริง
รูป 2.19 (ซ้าย) ฮิกส์ (กลาง) อองแกลท์ และ (ขวา) เบราท์ (ภาพซ้ายและกลางโดย Bengt Nyman ภาพขวาโดย Pnicolet at en.wikipedia)
การค้นหาอนุภาคฮิกส์เป็นเรื่องที่ไม่ง่าย เนื่องจากฮิกส์โบซอนไม่ได้ปรากฏให้ตรวจพบได้ในสภาวะปกติทั่วไป นักฟิสิกส์จำเป็นต้องสร้างสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะแสดงตัวให้ตรวจวัดได้ นั่นคือ สภาวะในช่วงเวลาหลังการก่อกำเนิดเอกภพได้ไม่นาน ซึ่งเครื่องมือเดียวที่จะช่วยให้การสร้างสภาวะดังกล่าวเป็นไปได้คือ เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ที่มีศักยภาพสามารถเร่งให้อนุภาคมาชนกันที่พลังงานสูงมากพอ และด้วยจุดมุ่งหมายหลักในการค้นหาฮิกส์โบซอน เซิร์นได้สร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้ชื่อว่าแอลเอชซี (Large Hadron Collider หรือ LHC) ที่มีเส้นรอบวงยาวกว่า 27 กิโลเมตร ลึกลงไปใต้พื้นดินประมาณ 175 เมตร บริเวณชายแดนระหว่างประเทศสวิตเซอร์แลนด์ กับ ฝรั่งเศส ดังรูป 2.3 เพื่อใช้เร่งลำอนุภาคโปรตอนให้มาชนกันที่พลังงานประมาณ 14 TeV หรือ 14 x 1012 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งเป็นสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะปรากฏให้ตรวจวัดได้ โดยการยืนยันและตรวจวัดฮิกล์โบซอน จะสามารถทำได้ด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาค 2 เครื่องที่เซิร์นสร้างไว้รองรับการชนกันของลำอนุภาคนโปรตอน ได้แก่ เครื่องตรวจวัดอนุภาคแอทลาส (ATLAS) และ ซีเอ็มเอส (CMS) ดังรูป 2.20 และ 2.21
รูป 2.20 เครื่องตรวจวัดอนุภาคแอทลาส (ATLAS หรือ A Toroidal LHC Apparatus) ที่เซิร์น (ภาพจาก CERN)
รูป 2.21 เครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS หรือ Compact Muon Solenoid) ที่เซิร์น (ภาพจาก CERN)
เป็นเวลากว่า 48 ปี หลังการทำนายของฮิกส์ ในที่สุด ด้วยความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์หลายพันคน ที่มาจากหลายร้อยประเทศทั่วโลก ในปี ค.ศ. 2012 นักฟิสิกส์ที่เซิร์นได้ประกาศการค้นพบอนุภาคที่มีสมบัติใกล้เคียงฮิกส์โบซอน ซึ่งภายหลัง ด้วยข้อมูลที่มีมากขึ้น พวกเขาได้ยืนยันว่า อนุภาคที่ค้นพบนี้ คือ ฮิกส์โบซอน ตามที่ฮิกส์ อองแกลท์ และ เบราท์ ได้ทำนายไว้
รูป 2.22 ภาพสามมิติแสดงเหตุการณ์ที่ค้นพบฮิกส์โบซอน หลังการชนกันของลำอนุภาคโปรตอนที่พลังงาน 8 TeV บริเวณตรงกลางเครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (แรเงาสีฟ้า) บันทึกไว้ในปี ค.ศ. 2012 โดยเส้นประสีเหลืองและเส้นทึบหนายาวสีเขียว แสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของคู่โฟตอน ที่มาจากการสลายของฮิกส์โบซอน (ภาพโดย McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration)
ฮิกส์โบซอนสำคัญอย่างไรกับชีวิตประจำวัน
ถึงแม้ว่าฮิกส์โบซอนจะไม่ปรากฏให้เห็นในสภาวะปกติทั่วไป และถึงแม้จะใช้เครื่องเร่งอนุภาคสร้างสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะปรากฏตัวให้เห็นได้ แต่ฮิกส์โบซอนมีช่วงชีวิต (lifetime) ที่สั้นมาก ความเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของฮิกส์โบซอนจึงไม่เป็นความเกี่ยวข้องโดยตรง แต่เป็นความเกี่ยวข้องโดยอ้อม ดังที่จะได้กล่าวถึงในหัวข้อต่อไป ประโยชน์จากงานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค
Page updated
Report abuse