Physics Milestone as Scientists Finally Observe Predicted Higgs Boson Particle Decay

เป็นเวลาหกปีนับจากการค้นพบอนุภาคที่แปลกและยากจะอธิบายชื่อฮิกส์โบซอน ในที่สุด บรรดานักวิทยาศาสตร์ที่คร่ำหวอดอยู่กับเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลกก็สังเกตพบกระบวนการสลายตัวที่ลึกลับแต่ธรรมดาที่สุดของมัน

นักฟิสิกส์ใช้ข้อมูลจากเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) ทำให้พบการสลายตัวของโบซอนชนิดนี้ออกเป็นอนุภาคที่เล็กกว่าสองชนิด คือ ควาร์กบอททัม และปฏิสสารของมัน คือ ควาร์กแอนไทบอททัม

แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคทำนายว่า มีโอกาสที่ฮิกส์โบซอนจะสลายตัวออกเป็นควาร์กบอททัม ซึ่งเป็นควาร์กชนิดที่หนักเป็นอันดับสอง ถึง 60%

นักฟิสิกส์ได้พยายามสังเกตหากระบวนการนี้มาอย่างต่อเนื่อง เพราะจะเป็นการสนับสนุนแบบจำลองมาตรฐาน หรือไม่ก็แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองไม่สมบูรณ์ และต้องมีการค้นคว้าหาหลักการทางฟิสิกส์ใหม่ๆ เพื่ออธิบายข้อขัดแย้งต่อไป

ปัญหาก็คือ เราจะตรวจจับกระบวนการนี้ในการทดลองจริงได้ยากมาก ฮิกส์โบซอนถูกสร้างจากการชนกันของโปรตอนสองตัว ถ้ากลูออนสองตัวภายในโปรตอนหลอมรวมกันและสร้างควาร์กท็อป ขึ้นสองตัว เจ้าสองตัวนี้จะรวมกันอีกจนกลายเป็นฮิกส์โบซอน

อนุภาคนี้จะคงอยู่เป็นเวลาประมาณเศษหนึ่งส่วนหนึ่งล้านล้านล้านล้านวินาที ก่อนจะสลายตัวกลายเป็นอนุภาคขนาดเล็กลง และการตรวจพบอนุภาคเหล่านี้นี่เองที่ทำให้นักฟิสิกส์สรุปได้ว่ามีฮิกส์โบซอนอยู่จริง

อนุภาคเหล่านี้สามารถสลายตัวได้หลายแบบ ได้แก่ คู่เฟอร์มิออน-แอนไทเฟอร์มิออน, คู่โฟตอน หรือคู่เกจโบซอน ซึ่งเรียงตามลำดับของความง่ายในการสังเกตพบ

แต่กับควาร์กบอททัม มันมีความซับซ้อนเล็กน้อย เพราะในทุกๆ การชนกันของโปรตอนกับโปรตอนจะสร้างอนุภาคขนาดเล็กกว่าอะตอมมากมาย รวมถึงควาร์กบอททัมด้วย และอนุภาคพวกนี้ก็จะสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นอย่างรวดเร็ว

เนื่องจากช่วงเวลาการปรากฏอยู่ของฮิกส์โบซอนนั้นสั้นมาก จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุว่าควาร์กบอททัมที่ตรวจพบนั้นเป็นผลมาจากการสลายตัวของฮิกส์โบซอน หรือมาจากการชนกันของโปรตอนที่เป็นกระบวนการเบื้องหลัง

เพื่อค้นหาการสลายตัวนี้ หน่วยงานประจำเครื่องวัดสองทีม คือ ATLAS และ CMS ได้ผสานข้อมูลจากการเดินเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ครั้งแรกและครั้งที่สองเข้าด้วยกัน แล้วทำการวิเคราะห์เพื่อหาควาร์กบอททัมจากบรรดาอนุภาคที่ถูกสร้างขึ้นมา จากนั้นก็จะต้องแกะรอยควาร์กบอททัมพวกนั้นย้อนกลับไปหาฮิกส์โบซอน

"การค้นพบเหตุการณ์เดียวที่ดูเหมือนควาร์กบอททัมสองตัวที่เกิดจากฮิกส์โบซอน นั้นไม่เพียงพอ" Chris Palmer กล่าว เขาเป็นนักฟิสิกส์ที่ Princeton University และทำงานด้านการวิเคราะห์ที่ CMS

"เราจำเป็นต้องวิเคราะห์นับแสนเหตุการณ์ ก่อนที่เราจะสามารถระบุกระบวนการนี้ได้อย่างแน่ชัด ซึ่งมันกำลังเกิดขึ้นอยู่บนยอดเขาของเหตุการณ์เบื้องหลังที่ดูคล้ายกัน"

อย่างไรก็ตามมีอนุภาคเพียงไม่กี่ชนิด ที่เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการสร้างฮิกส์โบซอน ซึ่งเราสามารถแยกแยะได้

"เราใช้อนุภาคเหล่านี้ในการระบุเหตุการณ์ที่น่าจะเกี่ยวของกับอนุภาคฮิกส์ และแยกมันออกจากเหตุการณ์อื่นๆ" Palmer อธิบาย "ดังนั้นถือว่าเรายิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัวในการวิเคราะห์นี้ เพราะเราไม่เพียงแต่พบการสลายตัวของฮิกส์โบซอนเป็นควาร์กบอททัมเท่านั้น แต่เรายังได้เรียนรู้เกี่ยวกับกลไกการสร้างมันขึ้นมาอีกด้วย"

และยังยืนยันความถูกต้องของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคอีกครั้ง จากการวัดอัตราการสลายตัวที่ถูกต้องตรงกัน

ผลที่ได้นี้เปิดความเป็นไปได้ใหม่ๆ ให้กับบรรดานักวิทยาศาสตร์ ในการศึกษาพฤติกรรมของฮิกส์โบซอนที่ลึกซึ้งมากขึ้น รวมถึงลักษณะของอันตรกิริยากับสสารอื่นๆ และศึกษาว่ามันมีอันตรกิริยากับอนุภาคที่ยังไม่ถูกค้นพบหรือไม่ (เช่น สสารมืด)

ในขั้นต่อไป งานวิจัยจะต้องเพิ่มความละเอียดในการวัด เพื่อศึกษาโหมดการสลายตัวในระดับความแยกชัดที่สูงขึ้นมาก

ทั้งสองทีมงานได้ยื่นตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์แล้ว และในระหว่างนี้สามารถอ่านได้ที่ arXiv: งานวิจัย CMS อ่านได้ ที่นี่, และงานวิจัยของ ATLAS อ่านได้ ที่นี่