ใกล้ค้นพบ แรงพื้นฐานชนิดที่ 5 ในธรรมชาติ ย้อนกลับไปเมื่อปี 2021 ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติเฟอร์มี หรือ Fermilab สหรัฐอเมริกา เปิดเผยว่ามีบางอย่างผิดปกติกับ ‘มิวออน’ โดยอนุภาคมูลฐานนี้ไม่ได้มีพฤติกรรมแบบเดียวกับทฤษฎีที่ดีที่สุดเท่าที่เราค้นพบอยู่ในตอนนี้ นั่นคือ แบบจำลองมาตราฐานของอนุภาคฟิสิกส์ (Standard Model of Particle Physics)
และเมื่อช่วงสัปดาห์ที่ผ่านมา มีการทดลองล่าสุดได้ยืนยันถึง ‘สิ่งนั้น’ แต่หมายความเรากำลังค้นพบความลับใหม่ของจักรวาลเช่นนั้นหรือ? เราจะขออธิบายไปทีละขั้นตอน
ก่อนอื่น มิวออนคืออะไร? อธิบายอย่างง่ายที่สุด มันคือ ‘อิเล็กตรอน’ ที่อ้วนท้วน และมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน แต่มีมวลมากกว่าเกือบ 207 เท่า
แต่สิ่งที่แตกต่างคือ มิวออนจะไม่เสถียรและสลายตัวภายในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที แต่นักวิทยาศาสตร์ก็หาทางศึกษามันจนได้โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ โดยไอน์สไตน์กล่าวไว้ว่าเมื่อ เราเคลื่อนที่เร็วขึ้น เวลาจะยิ่งเดินช้าลง
ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์จึงนำมิวออนเข้าเครื่องเร่งอนุภาค และจับมันให้วิ่งเข้าใกล้ความเร็วแสง มิวออนจึงอยู่ได้นานขึ้นและทำให้เรามีเวลาศึกษามันมากขึ้น
แต่การทำเช่นนี้ก็นำมาซึ่งปัญหาเช่นกัน เพราะแบบจำลองมาตราฐานที่อธิบายและทำนายการมีอยู่ของอนุภาคมากมายได้อย่างถูกต้อง ซึ่งรวมถึงแรงพื้นฐาน 4 ชนิดที่เรารู้จักในจักรวาล แต่ยังไม่รวมพลังงานมืดและสสารมืด ได้คาดการณ์ถึงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมิวออนไว้อย่างชัดเจน
ทว่า ค่าที่วัดได้ในห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน (Brookhaven) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ บอกเป็นนัยว่า ‘ค่าที่วัดได้นี้ไม่ถูกต้อง’ ตามหลักทฤษฎีที่เคยคาดการณ์กันมา และนักวิทยาศาสตร์คิดว่ามันน่าสนใจ จึงจำเป็นต้องมีการทดสอบเพิ่มเติม
พวกเขาสามารถสร้างลำแสงของมิวออนที่บริสุทธิ์ได้มากกว่าครั้งไหน ๆ และสามารถทำให้มันเดินทางไปได้กว่า 5,000 กิโลเมตร จากเมืองลองไอส์แลนด์ นิวยอร์ก ลงไปยังฟลอริดา และผ่านเทนเนสซีเพื่อไปยัง Fermilab ที่อยู่นอกเมืองชิคาโก
ทีมงานยืนยันว่า มีความผิดปกติในการแกว่งของอนุภาคมิวออนจริง และการวิเคราะห์ข้อมูลใหม่นี้มีระดับความเชื่อมั่นที่ไม่เคยมีมาก่อน คือค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ในระดับ 1 ใน 200,000 เท่านั้น
.
“การวัดนี้เป็นความสำเร็จในการทดลองที่น่าเหลือเชื่อ” ปีเตอร์ วินเทอร์ (Peter Winter) โฆษกของโครงการทดลอง Muon g-2 กล่าว
แต่อะไรเป็น ‘สาเหตุ’ ที่ทำให้มิวออนแกว่งแบบแปลก ๆ ในเวลาที่มันวิ่งไปแบบไม่เหมือนตามที่ทฤษฎีคาดไว้? ศาสตราจารย์ จอน บัตเตอร์เวิร์ธ (Jon Butterworth) จากมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนกล่าวว่า การสั่นแบบผิดปกตินั้นเกิดจากมิวออนทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็ก โดยอาจมีอะไรบางอย่างที่เรายังไม่รู้จักอยู่ในนั้น
“หากการวัดไม่สอดคลอดคล้องกับการคาดการณ์(ที่เคยมีมา) นั่นอาจเป็นสัญญาณว่ามีอนุภาคที่เราไม่รู้จักปรากฎขึ้น ซึ่งอาจเป็นตัวนำของแรงที่ 5”
ขณะที่ ดร. มิเทช พาเทล (Mitesh Patel) จาก อิมพรีเรียล คอลเลจ ลอนดอน (Imperial College London) เสริมว่า “เรากำลังพูดถึงแรงที่ 5 เพราะเราไม่สามารถอธิบายพฤติกรรม (ในการทดลองเหล่านี้) ด้วยแรงทั้ง 4 ที่เรารู้จักได้”
นักฟิสิกส์กำลังแก้ไขปัญหาเหล่านี้อย่างเข้มข้น และพวกเขาต้องการที่จะทดลองเพิ่มเติม นักวิจัยของ Fermilab หวังว่าผลลัพธ์ทั้งหมดจากหลายห้องการทดลองจะพร้อมวิเคราะห์ครั้งต่อไปในปี 2025 ซึ่งคาดว่าจะแม่นยำพอที่จะให้ผลลัพธ์ที่ชัดเจน
ดังนั้น เมื่อเรามารถสรุปได้ว่ามีแรงที่ 5 อยู่จริงหรือไม่ หรือมีอะไรที่เรายังไม่รู้จักอีกได้แล้ว มันจะเป็นความลับที่จะช่วยให้เราเข้าใจจักรวาลในระดับที่ลึกซึ้งมากยิ่งขึ้น และมันอาจนำไปสู่เบาะแสเกี่ยวกับพลังงานมืดและสสารมืดที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ในเอกภพ
ปัจจุบัน เรารู้จักแรงในธรรมชาติอยู่ทั้งหมด 4 ชนิดได้แก่ แรงโน้มถ่วง ที่ทำให้ดวงดาวโคจรรอบกันและดึงดูดเราให้ยืนติดกับพื้นโลก แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ทำให้เรามีอุปกรณ์ไฟฟ้าใช้งาน แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ที่ทำให้โมเลกุลเกาะกัน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้มที่ทำให้อนุภาคจับกันอย่างที่แข็งแรง
ส่วนแรงที่ 5 จะเป็นอะไรนั้น ต้องรอคอยการทดลองครั้งต่อไป แต่มันก็ทำให้เห็นว่าธรรมชาติยังมีอะไรอีกมากให้เราค้นพบ
สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
Photograph by Facebook: Fermi National Accelerator Laboratory
ที่มา
https://www.theguardian.com/science/2023/aug/11/scientists-fifth-force-nature
https://www.iflscience.com/what-are-the-claims-of-new-physics-from-the-muon-g-2-experiment-all-about-70239
https://www.popularmechanics.com/science/a44797287/scientists-may-discover-fifth-fundamental-force-nature
https://www.livescience.com/physics-mathematics/wobbling-muon-experiment-could-reveal-a-5th-force-of-nature-if-the-results-hold-up
