BlogGang.com : : scimovie : นักฟิสิกส์สร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจน

นักฟิสิกส์สร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจน

นักฟิสิกส์สร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจน

โปรตอน (ซ้าย) เป็นทรงกลม มวล 1.67x1-27 กิโลกรัม ประจุบวก มีขั้วเหนือและใต้ แอนติโปรตอน (ขวา) เป็นทรงกลม มวลเท่าโปรตอน ประจุลบ แต่มีขั้วใต้ และเหนือ สวนกลับโปรตอน

นักฟิสิกส์เชื่อว่า ถ้านักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของอะตอมไฮโดรเจนอย่างสมบูรณ์ เขาก็จะเข้าใจเอกภพได้ดี ดังจะเห็นได้จากประวัติการศึกษาอะตอมไฮโดรเจนว่า ทุกครั้งที่นักฟิสิกส์เข้าใจอะตอมนี้ดีขึ้น มุมมองเกี่ยวกับธรรมชาติ จะเปลี่ยนตามอย่างมโหฬาร เช่นเมื่อ Niels Bohr พบว่า ในความพยายามที่จะเข้าใจแสงที่อะตอมเปล่งออกมา นักฟิสิกส์ต้องใช้ทฤษฎีควอนตัมอธิบาย และอะตอมตัวแรกที่ Bohr ใช้ในการศึกษา คือ อะตอมไฮโดรเจน ในเวลาต่อมาเมื่อ Werner Heisenberg และ Erwin Schrodinger สร้างทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม คนทั้งสองได้เริ่มต้นด้วยการใช้อะตอมไฮโดรเจนเป็นตัวอย่าง และเมื่อ Paul Dirac นำทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกับทฤษฎีควอนตัมมาใช้ในอะตอมไฮโดรเจน เขาได้พบสมบัิติ “สปิน” ของอิเล็กตรอน และจุดประกายวิทยาการด้าน quantum electrodynamics

ในช่วงปี ค.ศ. 1930-1950 Isidor I. Rabi ได้วัดโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน และเทคนิคที่ใช้วัดนี้ ทำให้เกิดวิทยาการด้าน molecular beam magnetic resonance ที่ได้พัฒนาต่อมาจนเป็นเทคโนโลยี NMR (Nuclear Magnetic Resonance)

ส่วน Normal F. Ramsey ซึ่ง ได้ศึกษาไอโซโทป หนึ่งของไฮโดรเจน คือ 21H หรือที่เรียกว่า deuteron เพราะนิวเคลียสของอะตอมนี้มี โปรตอน และนิวตรอน อย่างละตัว จนได้พบว่านิวเคลียสนี้มี quadrupole moment ซึ่งแสดงให้เห็นว่า แรงนิวเคลียร์ มิได้ขึ้นกับระยะทางระหว่างอนุภาคในนิวเคลียสอย่างเดียว แต่ขึ้นกับสปินของอนุภาคด้วย และนี่ก็คือ ก้าวสำคัญของการพัฒนาทฤษฎีแรงนิวเคลียร์ในนิวเคลียส

ในเวลาต่อมา เมื่อนักฟิสิกส์มีเทคนิคที่ดีขึ้นในการวัดความยาวคลื่นของแสงที่ออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน เขาได้พบว่า ความยาวคลื่นของแสงเหล่านั้น มิได้เป็นไปตามทฤษฎีที่ Dirac ได้ทำนายไว้อย่างสมบูรณ์ Julian Schwinger จึงได้พัฒนาทฤษฎีของ Dirac ใหม่ จนสามารถอธิบายความแตกต่างระหว่างผลการทดลองกับผลทำนายของทฤษฎี Dirac ได้ ดังนั้นเมื่อ Willis Lamb วัดความยาวคลื่นที่แตกต่าง (Lamb Shift) นี้ได้ โลกฟิสิกส์ก็รู้ว่าทฤษฎีอะตอมไฮโดรเจนของ Dirac ยังไม่สมบูรณ์

สำหรับ Theodor W. Hansch ซึ่งต้องการทำนาฬิกาปรมาณู ที่สามารถวัดเวลาได้ละเอียดถึงระดับ อัตโต (atto = 10-18) วินาที เขาใช้ลำอะตอมไฮโดรเจนเป็นสารตัวอย่างในการสร้าง frequency comb

ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงเห็นว่า ไฮโดรเจน มีความสำคัญมาก ในการสร้างความรู้ด้านวิทยาศาสตร์บริสุทธ์ และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ จนทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนมีความเข้าใจว่าในอดีต องค์ความรู้บางเรื่องที่ไม่น่าจะเป็นไปได้เลย แต่เมื่อถึงปัจจุบันเรื่องเหล่านั้น เป็นเหตุการณ์ที่เกิดได้อย่างปกติทั่วไป

ดังเช่น ปฏิสสาร (antimatter) ซึ่งเป็นอนุภาคที่เกิดจากจินตนาการของ Dirac และ Anderson พบว่ามีจริงก็กำลังมีบทบาทมากขึ้นในอนาคต

ปฏิสสาร คือ สิ่งที่ตรงข้ามกับสสาร (matter) ซึ่งถึงจะมีสมบัติ เช่น มวล และอายุขัยเหมือนสสาร แต่จะมีประจุตรงข้ามกับสสาร

ทฤษฎีฟิสิกส์ระบุว่าอนุภาคทุกตัว มีปฏิอนุภาคเป็นคู่กัน เช่น อนุภาค proton ที่มีประจุบวก จะมีปฏิอนุภาค คือ antiproton ที่มีประจุลบ และอนุภาค electron ซึ่งมีประจุลบ จะมี ปฏิอนุภาคของมันคืออนุภาค positron ที่มีประจุบวก และเมื่อใดก็ตามที่ปฏิอนุภาคปะทะอนุภาค อนุภาคทั้งสองจะถูกทำลายจนสลายไป แล้วปล่อยรังสีแกมมาออกมา ตามสมการ E = mc2 เมื่อ m คือมวลทั้งหมดของอนุภาค และปฏิอนุภาค c คือ ความเร็วแสง และ E คือ พลังงานทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกมา

นักฟิสิกส์ได้ศึกษาอะตอมไฮโดรเจนเป็นอย่างละเอียดที่สุด และรู้ว่าประกอบด้วยโปรตอนที่มีอิเล็กตรอนโคจรโดยรอบ และเมื่ออนุภาคทุกตัวมีปฏิอนุภาค ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงเชื่อว่า อะตอมแอนติไฮโดรเจนที่มีอนุภาคแอนติโปรตอนอยู่ตรงกลาง และมีอนุภาคแอนติอิเล็กตรอน (หรือ positron) โคจรอยู่โดยรอบ ก็น่าจะมีในธรรมชาติได้

การสร้างแอนตโปรตอน โดยยิงโปรตอนชนนิวเคลียส ทำให้เกิดโปรตอนและแอนติโปรตอน (+ และ - ดังรูป)

ความพยายามในการสร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจนจึงเกิดขึ้น

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 18 พฤศจิกายน ที่ผ่านมานี้คณะนักฟิสิกส์ที่ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN) ได้แถลงว่า คณะได้ประสบความสำเร็จในการสร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจนได้แล้วเป็นครั้งแรกในโลก และหวังว่า ความรู้ที่ได้จากการศึกษาอะตอมชนิดนี้ จะปฏิรูปฟิสิกส์เหมือนดังที่ อะตอมไฮโดรเจนได้เคยทำมาแล้วในอดีต และการศึกษาเรื่องนี้อย่างน้อยที่สุดก็จะทำให้เรามีความรู้พื้นฐานว่า สสารกับปฏิสสารนั้นแตกต่างกันอย่างไร หรือไม่ ทั้งนี้เพราะทฤษฎีฟิสิกส์ปัจจุบันระบุว่า แรงดึงดูดเชิงไฟฟ้าระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอน จะเท่ากับแรงดึงดูดระหว่างแอนติโปรตอนกับแอนติอิเล็กตรอนพอดิบพอดี และนั่นก็หมายความว่า แสงที่ถูกปล่อยออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน จะต้องมีความยาวคลื่นเท่ากับแสงที่ออกมาจากอะตอมแอนติไฮโดรเจนทุกประการ

ดังนั้นถ้านักฟิสิกส์วัดความยาวคลื่นของแสงจากอะตอมทั้ง 2 ชนิดได้ผลที่แตกต่างกัน การปฏิวัติเชิงทฤษฎีฟิสิกส์ก็จะต้องเกิดขึ้นอีกคำรบหนึ่ง

ตามปกตินักฟิสิกส์มักจะสร้างปฏิสสารในเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง และได้ประสบความสำเร็จในการสร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจนเมื่อ 7 ปีก่อนนี้ แต่อะตอมมีชีวิตอยู่ได้ไม่นาน เพราะมันพุ่งกระทบผนังภาชนะ การเป็นปฏิสสารของอะตอมกับการเป็นสสารของผนังจะทำให้เกิดรังสีแกมมา

นักฟิสิกส์จึงได้พยายามสร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจน ที่มีชีวิตยืนนาน โดยให้อยู่ในภาชนะที่ไม่มี “ผนัง” คือ ให้อนุภาคแอนติโปรตอน และแอนติอิเล็กตรอนที่เกิดใหม่มีอุณหภูมิต่ำถึง -273.5 องศาเซลเซียส ทั้งนี้ เพื่อให้อนุภาคทั้งสองชนิดมีความเร็วต่ำมากนั่นเอง แล้วใช้สนามแม่เหล็ก และสนามไฟฟ้ากักอะตอมแอนติไฮโดรเจนที่ได้ให้ลอยอยู่ในสุญญากาศ

อะตอมแอนติไฮโดรเจน เกิดในอุปรณ์นี้ที่ CERN แต่มีชีวิตอยู่ได้เพียงเศษเสี้่ยวของวินาที

สำหรับการสร้างแอนติโปรตอนนั้น ทีมวิจัยได้ระดมยิงเป้าที่ทำด้วยธาตุ iridium โดยใช้กระสุน proton เมื่อได้ antiproton ประมาณ 30,000 อนุภาค แล้วก็ได้ลดอุณหภูมิของ antiproton ลง ส่วนอนุภาคแอนติอิเล็กตรอน หรือ positron นั้น คณะวิจัยหาได้จากการสลายตัวของธาตุ sodium ที่เป็นกัมมันตรังสี และเมื่อได้ positron ประมาณ 1 ล้านอนุภาคแล้ว ก็ได้ทำให้มันมีอุณหภูมิต่ำมากเช่นกัน จากนั้นก็ได้นำไปเก็บแยกในอีกภาชนะหนึ่ง แล้วนำอนุภาคทั้งสองชนิดมาปนกันนานประมาณ 1 วินาที เพื่อให้อนุภาคมีโอกาสจับคู่กันเป็นอะตอมแอนติไฮโดรเจน ส่วนแอนติโปรตอน และแอนติอิเล็กตรอนที่เหลือก็จะถูกกำจัดออก โดยใช้สนามไฟฟ้าแยกอนุภาคส่วนเกินเหล่านี้ออกไป จนเหลืออะตอมแอนติไฮโดรเจนประมาณ 130 อะตอม

ในการตรวจสอบว่า ทีมทดลองได้ประสบความสำเร็จในการสร้างอะตอมแอนติไฮโดรเจนหรือไม่ คณะฯ ได้ลดความเข้มสนามแม่เหล็กลงจนเป็นศูนย์ ทำให้อะตอมแอนติไฮโดรเจนลอยกระทบผนังภาชนะแล้วสลายเป็นแสง การวัดตำแหน่ง และทิศทางที่แสงพุ่งจะช่วยบอกทิศที่อะตอมแอนติไฮโดรเจนพุ่งชนกำแพง เหมือนเวลาตำรวจสอบสวนดูวิถีกระสุน และตำแหน่งที่กระสุนพุ่งชนเป้า เขาก็จะรู้ตำแหน่งที่ยิงกระสุน

ถึงอะตอมแอนติไฮโดรเจนที่สร้างได้ ณ วันนี้ จะมีจำนวนน้อย แต่ในอีกไม่นาน อะตอมประดิษฐ์เหล่านี้จะมีจำนวนมากขึ้นๆ และจะมีบทบาทสำคัญเยี่ยงเดียวกับอะตอมไฮโดรเจนที่ได้เคยสำแดงมาแล้ว ในโลกวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี

ที่มา
ผู้จัดการออนไลน์

Create Date : 08 มีนาคม 2554

Last Update : 8 มีนาคม 2554 22:37:18 น.

0 comments

Counter : 1769 Pageviews.