beyond The Standard Model
แบบจำลองมาตรฐานสามารถตอบคำถามมากมายเกี่ยวกับโครงสร้างและเสถียรภาพของสสาร ด้วยคว๊าก 6 ชนิด เล็พตอน 6 ชนิด และแรงทั้ง 4 แต่แบบจำลองมาตรฐานก็ไม่ใช่ทฤษฎีที่สมบูรณ์ เพราะยังมีคำถามอีกมากมายที่แบบจำลองนี้ไม่สามารถตอบได้ เช่น

ทำไมเราสังเกตได้เฉพาะสสาร แทบไม่สามารถสังเกตปฏิสสารได้เลย ทั้ง ๆ ที่เราเชื่อว่ามีความสมมาตรระหว่าง 2 สิ่งนี้ในเอกภพ?



"สสารมืด" คืออะไร?

ทำไมแบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถใช่ทำนายมวลของอนุภาคได้?

แน่ใจรึเปล่าว่าคว๊ากและเล็พตอนเป็นอนุภาคมูลฐาน พวกมันไม่ได้สร้างจากอนุภาคที่มูลฐานกว่าแน่นะ?



ทำไมมีคว๊ากและเล็พตอนแค่ 3 รุ่น (generation) ด้วย?

แล้วแรงโน้มถ่วงล่ะ จะอธิบายมันอย่างไร?

แบบจำลองมาตรฐานอธิบายปรากฎการณ์ต่าง ๆ ที่สังเกตได้จากการทดลองก็จริง แต่จนกระทั่งเดี๋ยวนี้ก็ยังคงเป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์ ปัญหาคือแบบจำลองมาตรฐานไม่มีคำอธิบายว่าเพราะเหตุใดอนุภาคบางชนิดจึงเป็นอย่างที่มันเป็น ตัวอย่างเช่น หลายปีมาแล้วที่นักฟิสิกส์รู้มวลของคว๊ากเกือบทุกตัว ยกเว้นท๊อปคว๊าก แต่ก็ไม่มีใครสามารถทำนายมวลของท๊อปคว๊ากได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องอาศัยหลักฐานจากการทดลอง ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะแบบจำลองมาตรฐานไม่มีคำอธิบายใด ๆ ที่เกี่ยวกับมวลของอนุภาคเลย

อย่างนี้เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานนั้นผิดพลาดได้รึเปล่า?

ไม่ผิดแน่นอนครับ แต่เราจำเป็นต้องก้าวข้ามกรอบจำกัดของแบบจำลองมาตรฐาน ทำนองเดียวกันกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ขยายก้าวข้ามกรอบจำกัดกลศาสตร์แบบนิวตัน เพราะโดยตัวของกลศาสตร์แบบนิวตันเองก็ไม่มีอะไรผิดตราบเท่าที่ความเร็วยังต่ำกว่าความเร็วแสงมาก ๆ ดังนั้นเมื่อความเร็วสูงขึ้นเราก็ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ใช้อธิบายปรากฎการณ์แทน นั่นคือ ในกรณีนี้เราต้องการขยายแบบจำลองมาตรฐานให้กว้างขึ้น อาจจำเป็นต้องคิดใหม่ เพื่อที่จะรวมเอามวล แรงโน้มถ่วง หรือปรากฎการณ์อื่น ๆ ที่แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายได้เข้ามาไว้ด้วยกัน

แบบจำลองมาตรฐานแบ่งกลุ่มของคว๊ากและเล็พตอนอกเป็นคู่ ๆ 3 กลุ่ม แต่ละกลุ่มเราเรียกว่า "รุ่น" หรือ "generation" โดยมี up และ down เป็นคว๊ากในรุ่นแรก ส่วนเล็พตอนรุ่นแรกคือ electron และ electron-neutrino



น่าฉงนอย่างยิ่ง ทำไมมีแค่ 3 รุ่นด้วย จะมากกว่าหรือน้อยกว่าได้ไหม? รุ่นที่สูงขึ้น มวลจะมากขึ้น และรุ่นสูงมีแนวโน้มจะสลายตัวมาเป็นรุ่นต่ำ ในชีวิตประจำวัน เราสังเกตได้เฉพาะอนุภาครุ่นแรกเท่านั้น สิ่งที่เราไม่รู้คือธรรมชาติต้องการอีก 2 รุ่นที่เหลือไว้ทำไม และ ทำไมมีแค่ 3 รุ่น

แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายเกี่ยวกับมวลของอนุภาคได้ เช่น ทั้งโฟตอนและอนุภาค W ต่างก็เป็นอนุภาคนำพาแรงด้วยกันทั้งคู่ ทำไมโฟตอนเบากว่าอนุภาค W ?



นักฟิสิกส์มีทฤษฎีหนึ่งที่เรียกว่าสนามฮิกส์ (Higgs field) ซึ่งเป็นสนามที่ทำปฏิกิริยากับอนุภาคแล้วให้มวลกับอนุภาคนั้น ในสนามฮิกส์ก็จะมีอนุภาคที่เรียกว่าฮิกส์โบซอน (Higgs boson) เจ้า Higgs boson นี้ยังไม่มีใครค้นพบตัวจริง ๆ ของมัน และนี่เป็นตัวที่นักฟิสิกส์มากมายจ้องจับอย่างใจจดใจจ่อ

ถ้าถามว่าเป้าหมายหลักของฟิสิกส์อนุภาคคืออะไร หนึ่งในคำตอบนั้นย่อมเป็นการรวมแรงพื้นฐานทั้งหลายให้เป็นหนึ่งเดียว สร้างทฤษฎีหนึ่งเดียวที่ยิ่งใหญ่ขึ้นมาเรียกว่า Grand Unified Theory และเป็นทฤษฎีที่สามารถทำความเข้าใจความเป็นไปของเอกภพได้ทุกกระเบียดนิ้ว James Maxwell คือบุคคลแรกที่เริ่มย่างเท้าก้าวสู่เส้นทาง Grand Unified เมื่อเขาสามารถรวมแรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กเข้าไว้ด้วยกัน และปัจจุบันเรายังรู้อีกว่าที่พลังงานสูง ๆ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อนก็เป็นแรงอย่างเดียวกัน ในช่วงท้ายของชีวิตไอน์สไตน์ เขาพยายามรวมแรงโน้มถ่วงกับแรงไฟฟ้าเข้าด้วยกัน แต่ก็ไม่สำเร็จ

นักฟิสิกส์หวังให้ Grand Unified Theory สามารถรวมแรงชนิดเข้ม อ่อน และแม่เหล็กไฟฟ้า มีทฤษฎีมากมายที่เสนอตัวเป็น Unified Theory แต่สิ่งที่นักฟิสิกส์ต้องการคือข้อมูลสำหรับใช้ตัดสินและเลือกว่าทฤษฎีใดกันแน่ที่สามารถอธิบายธรรมชาติได้ ถ้าการรวมแรงต่าง ๆ เป็นไปได้จริง ดังนั้นแรงต่าง ๆ ที่เราสังเกตพบทุกวันนี้ก็เป็นเพียงหน้าตาที่แตกต่างกันของแรงเดียวกัน (ซึ่งมีอยู่หนึ่งเดียว) ทำอย่างไรจึงจะรวมแรงชนิดเข้ม อ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ด้วยกันได้ล่ะ ในเมื่อแต่ละแรงต่างก็มีทั้งความเข้มและให้ผลกระทบที่แตกต่างกัน ข้อมูลและทฤษฎีปัจจุบันบอกเราว่าแรงต่าง ๆ ทั้ง 3 แรงนี้สามารถรวมกันเป็นแรงเดียวได้ที่พลังงานสูง ๆ นับว่าแปลกพอดู



แปลกกว่านั้น งานวิจัยเกี่ยวกับ GUT (Grand Unified Theory) ล่าสุดทำนายการมีตัวตนของอนุภาคนำพาแรงอีกหนึ่งชนิดที่เป็นต้นเหตุให้โฟตอนสลายตัว แต่อย่าหวังจะเจออนุภาคชนิดนี้ง่าย ๆ เพราะโฟตอนแต่ละตัวมีอายุยืนถึง 1032 ปี

มีนักฟิสิกส์บางกลุ่มพยายามรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงอื่นๆที่เหลือ ผลจากความพยายามนี้ให้กำเนิดคำทำนายที่น่าตกใจและอัศจรรย์ใจ เขาบอกว่า อนุภาคสสารมูลฐานทุกชนิด จะต้องมีอนุภาคหนักนำพาแรงที่เป็นเงา (massive shadow matter particle) อยู่ด้วยเสมอ และอนุภาคนำพาแรง ก็ต้องมีอนุภาคหนักสสารที่เป็นเงา (massive shadow matter particle) อยู่ด้วยเช่นกัน ความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคสสารและอนุภาคนำพาแรงนี้ เรียกว่า ความสมมาตรยิ่งยวด (supersymmetry) เช่น คว๊ากทุกชนิด ก็ต้องมีคู่อนุภาคของมันเรียกว่า "squark"



ยังไม่มีอนุภาคคู่สมมาตรยิ่งยวดตัวใดถูกค้นพบ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยยอมแพ้ครับ ที่ CERN และ Fermilab ต่างทำการทดลองเพื่อค้นหามันอยู่

ฟิสิกส์ยุคใหม่มีทฤษฎีที่ดีมากอันหนึ่งในการอธิบายกลศาสตร์ควอนตัม สัมพัทธภาพและสนามโน้มถ่วง แต่มันยังไม่ค่อยดีเท่าไรในเรื่องอื่น ๆ ปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นเนื่องมากจากการที่เราอาศัยอยู่ในอวกาศแบบ 3 มิติ แต่ถ้าเราอาศัยในอวกาศที่มีมากกว่า 3 มิติ ปัญหาดังกล่าวก็จะสามารถแก้ไขได้ด้วยตัวทฤษฎีเอง ทฤษฎีที่พูดถึงนี้ก็คือ ทฤษฎีสตริง

ทฤษฎีสตริงเป็นหนึ่งในทฤษฎีค่อนข้างใหม่สำหรับฟิสิกส์ยุคใหม่ เป็นทฤษฎีที่บอกว่าโลกซึ่งมีอวกาศปกติแบบ 3 มิติ และมีมิติอื่น ๆ ขดตัวเล็กจิ๋วอยู่นั้น อนุภาคจะมีลักษณะเป็นเส้นและเป็นแผ่น (particles are strings and membranes) นี่เป็นสิ่งที่ค่อนข้างวาดภาพยากเอาการ ไหนยังจะมีคำถามอีกว่า มิติขนาดจิ๋วที่พูดถึงนี่คืออะไร ?

ทฤษฎีสตริงหรือทฤษฎีใหม่ ๆ ส่วนใหญ่ต้องการมิติทางอวกาศที่มากกว่า 3 มิติ ซึ่งมิติที่เพิ่มเข้ามานั้นอาจจะมีขนาดเล็กจิ๋วมาก ๆ จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราไม่เคยสังเกตเห็นมัน มิติเล็กจิ๋วที่ว่า เพิ่มเข้ามาอย่างไร ?



ลองนึกภาพนักกายกรรมเดินบนเส้นเชือก นักกายกรรมสามารถเดินไปหน้าหรือถอยหลังบนเส้นเชือกได้เท่านั้น แต่ตัวหมัดที่อยู่บนเชือกเส้นเดียวกันสามารถเดินได้ทั้งไปหน้า ถอยหลัง เลี้ยวซ้าย และเลี้ยวขวา เดินวนรอบเส้นเชือกก็ได้ กรณีนี้นักกายกรรมมีพื้นที่ 1 มิติ ส่วนตัวหมัดมีพื้นที่ 2 มิติสำหรับการเดิน จะเห็นว่าใน 2 มิตินั้น 1 มิติเป็นมิติเดียวกับนักกายกรรมส่วนอีก 1 มิติเป็นมิติขนาดเล็กสำหรับหมัดเท่านั้น เราสามารถสังเกตโลกได้เพียง 3 มิติ ทั้ง ๆ ที่มันอาจจะมีมากกว่านั้นก็ได้ เปรียบเทียบได้กับนักกายกรรมที่สามารถใช้พื้นที่ได้เพียง 1 มิติ การวาดภาพมิติที่มากกว่า 3 นี้วาดได้ยากมากนักแล เพราะเรามีพื้นที่ให้วาดได้เพียง 3 มิติ

องค์ประกอบหลักของเอกภพอาจไม่ใช่สสารชนิดเดียวกับที่เรารู้จักบนโลกนี้ก็ได้ จากผลของสนามโน้มถ่วงโดยรวมทั้งเอกภพและพฤติกรรมการขยายตัวของเอกภพทำให้เราลงความเห็นว่าต้องมีสสารอีกชนิดหนึ่งเรียกว่า "สสารมืด" หรือ dark matter ซึ่งเป็นสสารที่เราไม่สามารถมองเห็นได้อยู่ และก็มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือว่า สสารมืด ไม่ได้ประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน อะไรคือสสารมืดนั้นยังเป็นปริศนาที่เรายังไม่พบคำตอบ บางทีอาจจะประกอบจากนิวตริโน หรือสสารรูปแบบอื่น ๆ เช่น neutralinos ซึ่งยังเป็นอนุภาคที่มีอยู่เพียงในทฤษฎีความสมมาตรยิ่งยวดเท่านั้น







Create Date : 12 กรกฎาคม 2551
Last Update : 12 กรกฎาคม 2551 20:43:38 น.
Counter : 2287 Pageviews.

0 comments
ชื่อ : * blog นี้ comment ได้เฉพาะสมาชิก
Comment :
 *ส่วน comment ไม่สามารถใช้ javascript และ style sheet
 

Zol.BlogGang.com

ศล
Location :
กรุงเทพ  Thailand

[ดู Profile ทั้งหมด]
 ผู้ติดตามบล็อก : 85 คน [?]

บทความทั้งหมด