The LHC Has Detected The Higgs Boson Again, This Time With a Massive Twist

บรรดานักฟิสิกส์ที่ทำงานที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ได้ทำการตรวจพบฮิกส์โบซอนอีกครั้ง ครั้งนี้ได้ศีกษารายละเอียดเกี่ยวกับอันตรกิริยาที่พบได้ยาก กับอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดเท่าที่รู้จักในแวดวงฟิสิกส์ที่ชื่อว่าควาร์กท็อป

ความวุ่นวายในช่วงเวลาสั้นๆ ของปรากฏการณ์ที่พบได้ยากมากเหล่านี้ได้ให้ข้อมูลที่สำคัญแก่นักฟิสิกส์เกี่ยวกับธรรมชาติของมวล และพิสูจน์ว่ามีอะไรที่เกินขอบเขตความรู้ทางฟิสิกส์ตามการทำนายจากแบบจำลองที่มีอยู่หรือไม่

ผลที่ได้จากการทดลองของ ATLAS และ CMS จากองค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (European Organization for Nuclear Research, CERN) ช่วยยืนยันพันธะที่แข็งแรงระหว่างฮิกส์โบซอนกับควาร์กท็อป

เนื่องจากฮิกส์โบซอนเป็นตัวทำให้เกิดมวลของอนุภาคมูลฐาน การนำข้อมูลมาเปรียบเทียบกับการทำนายผลที่ทำได้ยากนี้จึงเป็นเรื่องน่ายินดี

แม้ว่าเราจะคุ้นเคยกับมวลอยู่ทุกเมื่อเชื่อวัน ไม่ว่าจากแรงโน้มถ่วงหรือจากการเอาชนะความเฉื่อยเพื่อทำให้ตัวเราเคลื่อนที่ได้ แต่การคิดพิจารณาถึงสาเหตุพื้นฐานของมันนี้เป็นเรื่องที่ซับซ้อน

สมการที่เลื่องชื่อของไอน์สไตน์ E=mc^2 เป็นการอธิบายมวลในรูปพลังงาน การทำให้อนุภาคพื้นฐานยึดเกาะเข้ากับนิวตรอนและโปรตอนจะต้องใช้พลังงาน และแรงพยายามนั้นจะทำให้เรารับรู้ถึงการมีน้ำหนักของอะตอม

เรื่องของเรื่องก็คือ : อนุภาคมูลฐานบางชนิดยังคงมีมวล แม้ว่าในตอนที่มันไม่ได้ออกแรงอะไรเลย แล้วมวลของมันมาจากไหน?

ห้าสิบปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ที่ชื่อว่า ปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) ได้ทำนายว่าจะต้องมีโบซอนชนิดหนึ่งอยู่ (อนุภาคประเภทเดียวกับโฟตอน) ที่มีอันตรกิริยากับอนุภาคพวกนั้นในสนามพิเศษ มาเติมเต็มในส่วนของพลังงานน้อยๆ ที่หายไป ซึ่งทำให้ได้มวลรวมของวัตถุพอดี

เป็นระยะเวลาหลายทศวรรษที่อนุภาคขนาดเล็กที่แปลกประหลาดนี้ ได้หายไปจากจิ๊กซอว์ของแบบจำลองมาตรฐาน (อนุภาคมูลฐานที่เหลืออยู่ชนิดสุดท้ายที่จะต้องได้รับการยืนยันด้วยการทดลอง) ในที่สุด ในปี 2012 ข่าวลือที่ว่ามีการพบฮิกส์โบซอนในเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ก็ได้รับการยืนยัน พร้อมกับแบบจำลองมาตรฐานที่สมบูรณ์แล้ว

ที่น่าตื่นเต้นไม่แพ้กันก็คือ นั่นเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการสำรวจตรวจวัดฮิกส์โบซอน เรายังจำเป็นต้องวัดค่าแรงพยายามน้อยๆ ที่ส่งผลต่อมวลที่หายไปนั้น และควาร์กท็อปก็เป็นจุดแรกที่ควรต้องมอง

ควาร์กอัพและดาวน์คือส่วนประกอบของโปรตอนและนิวตรอน แต่ควาร์กท็อปไม่ยึดเกาะนานพอที่จะทำให้เกิดอะไรที่เราจะสังเกตพบได้ โดยมันจะสลายตัวไปในเศษเสิ้ยววินาที

แต่มันก็หนักเป็นพิเศษ อิเล็กตรอนมีมวลประมาณหนึ่งในสามล้านเท่าของควาร์กท็อป บ่งชี้ถึงอันตรกิริยาที่ค่อนข้างแข็งแรงกับสนามฮิกส์

การระบุอันตรกิริยานี้ต้องมีร่องรอยของฮิกส์โบซอนที่ปรากฏขึ้นพร้อมกับควาร์กท็อปในกระบวนการที่เรียกว่า ttH production เรื่องนี้พูดง่ายกว่าการลงมือทำ ไม่ว่าจะเป็นกรณีที่ให้อนุภาคปรากฏอยู่นานพอที่จะมองเห็นโดยตรง หรือให้มีฮิกส์โบซอนเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ที่เกิดขึ้นจากพลังงานของ LHC ปรากฏอยู่พร้อมๆ กับควาร์กท็อป

เพื่อสังเกตหาปรากฏการณ์พวกนี้ นักฟิสิกส์จำเป็นต้องรวบรวมข้อมูลมากมายจากการทดลองที่ใช้เครื่องชนอนุภาคสองแหล่ง เพื่อหาการรวมตัวกันที่เป็นเอกลักษณ์ ของอนุภาคไม่เสถียรที่เป็นผลมาจากการสลายตัว

มันเหมือนกับการหาวิธีวัดว่าโอกาสที่ดาราดังสองคนจะจับมือกันในงานเลี้ยงมีมากแค่ไหน หลังจากที่พวกเขากลับบ้านไปแล้ว แต่เรื่องนี้ยากกว่ามาก

โดยการหา "การจับมือของดาราดัง" ที่มากพอ และเปรียบเทียบผล นักวิจัยของทั้งสองการทดลองจึงมั่นใจได้ว่าได้ตัวเลขที่ถูกต้องในการอธิบายความแข็งแรงของการเชื่อมโยงกันของฮิกส์-ควาร์กท็อป

"การวัดจากหน่วยวิจัยร่วม CMS และ ATLAS ให้ข้อบ่งชี้ที่หนักแน่นว่าฮิกส์โบซอนมีบทบาทสำคัญต่อมวลของคาร์กท็อปในสัดส่วนที่สูง" Karl Jakobs กล่าว เขาเป็นนักฟิสิกส์ผู้ทำหน้าที่โฆษกของหน่วยวิจัยร่วม ATLAS

"ถึงเรื่องนี้จะชัดเจนว่าเป็นลักษณะสำคัญตามแบบจำลองมาตรฐาน แต่นี่เป็นครั้งแรกที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองซึ่งมีนัยสำคัญมากมายมหาศาล"

มีการวางแผนในการรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติมในไม่กี่เดือนต่อจากนี้ ด้วยความหวังว่าจะได้ตัวเลขที่แม่นยำขึ้นซึ่งอาจให้เบาะแสของบางสิ่งที่ไม่คาดหมาย

"เมื่อ ATLAS และ CMS สิ้นสุดการรวบรวมข้อมูลในเดือนพฤศจิกายน 2018 เราจะมีเหตุการณ์ที่มากพอในการท้าทายแม้กระทั่งการทำนาย ttH จากแบบจำลองมาตรฐานอย่างหนักแน่น เพื่อดูว่ามีสิ่งบ่งชี้อะไรใหม่ๆ หรือไม่" Joel Butler โฆษกปะจำหน่วยวิจัยร่วม CMS กล่าว

มันเป็นสถานการณ์ "ความหวังลมๆ แล้งๆ" มากกว่าการคาดการณ์ที่หนักแน่น แต่ก็ยังคงมีความลึกลับที่ยิ่งใหญ่บางอย่างเบื้องหลังฟิสิกส์ รวมถึงคำถามที่ว่า ทำไมสสารยังคงอยู่

สัญญาณของสิ่งใหม่ๆ อยู่ในอันดับต้นๆ ในความหวังของนักฟิสิกส์อนุภาคเสมอ

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ไว้ที่ Physical Review Letters