การวัดขนาดอิเล็กตรอน

การวัดขนาดอิเล็กตรอน (part 1 of 2)

การศึกษารูปร่างภายในของอนุภาคที่เรารู้จักกันดีอาจจะช่วยแก้ไขความเร้นลับของจักรวาล

โดย Alexandra Witze

(reference article)

วันที่ 12  กุมภาพันธ์  2554

อิเล็กตรอนเคยถูกมองว่าเป็นเพียงอนุภาคเล็ก ๆ ตัวหนึ่งที่มีประจุไฟฟ้าลบ ไม่มีความซับซ้อนอื่นใด อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคพื้นฐานตัวแรกที่มีการค้นพบ  มันเป็นประจุตัวแรกที่ได้จากการวัดและมันก็เกี่ยวข้องกับสมการทางคณิตศาสตร์ ที่มีการใช้อยู่ของสสารที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีเหมือนกันแต่มีประจุตรงข้ามหรือที่เรียกว่า  ปฎิสสาร

© galinka86/dreamstime.com

ขณะนี้ อิเล็กตรอนอาจทำให้วิทยาศาสตร์ก้าวไปอีกขั้น ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าทำไมสสารจึงมีมากกว่าปฎิสสารในจักรวาลตอนต้น  ในทางทฤษฎีบิ๊กแบง  สสาร และ ปฎิสสารจะถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่เท่ากัน  หากเกิดการทำลายล้างจะทำให้ไม่เหลืออะไรทิ้งไว้ในภายหลัง

แม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งเป็นวิธีการทางคณิตศาสตร์สำหรับว่าสสารยึดติดกันได้ด้วยแรงแบบใด ไม่สามารถอธิบายทำไมสสารกับปฎิสสารมีปริมาณไม่เท่ากัน แต่ก็มีบางทฤษฎีที่ไปไกลกว่าแบบจำลองมาตรฐานที่อาจอธิบายได้  โดยอาศัยการวัดรูปร่างของอิเล็กตรอนผ่านคุณสมบัติเฉพาะที่รู้จักกันว่า โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า (electric dipole moment, EDM)   นักวิทยาศาสตร์คิดว่า  พวกเขาสามารถสร้างทฤษฎีที่สามารถสะท้อนถึงความเป็นจริงได้ดีขึ้น

“อิเล็กตรอน EDM เป็นเรื่องที่ทำให้เรามีโอกาสเห็นปรากฏการณ์ใหม่บางอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้ในแบบจำลองมาตรฐานและสามารถช่วยอธิบายเกี่ยวกับความไม่สมดุลของสสารกับปฎิสสารในจักรวาล” David DeMille นักฟิสิกส์  มหาวิทยาลัยเยล กล่าว

การมีโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าหมายถึง  อิเล็กตรอนมีโครงสร้างภายใน ซึ่งจะต่างจากภาพที่เรารู้จักอิเล็กตรอนมา ที่เป็นอนุภาคไร้ขนาดที่โคจรรอบศูนย์กลางของอะตอม  แม้ว่ายังไม่มีใครสามารถวัดค่าโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้   นักวิจัยคิดว่ามันยังคงมีอยู่และน่าจะสามารถพบได้ด้วยการตรวจของห้องปฏิบัติการที่ทันสมัยในปัจจุบัน

“มีเหตุผลทางทฤษฎีที่แนะว่าการค้นพบนี้จะอยู่อีกไม่ไกล”   Larry Hunter  นักฟิสิกส์  วิทยาลัยแฮมเฮิร์ท รัฐแมสซาชูเซตส์กล่าว Hunter  เป็นผู้ซึ่งพยายามวัด โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าอิเล็กตรอนตั้งแต่ช่วง ค.ศ.1980  ได้กล่าวว่า “พวกเราอุทิศชีวิตในการค้นหานี้ เพราะเชื่อว่าบางสิ่งบางอย่างที่สำคัญจะปรากฏออกมาในไม่ช้า”

ขณะนี้นักวิจัยหลายท่านคาดว่าพวกเขาจะประสบความสำเร็จจากการศึกษาอะตอมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ไปจนถึงโมเลกุลที่ไม่สมมาตร และไปถึงเซรามิกส์ที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก  ภายในไม่กี่เดือนต่อจากนี้นักวิทยาศาสตร์ของวิทยาลัยอิมพิเรียล  กรุงลอนดอน  คาดว่าจะรายงานผลเกี่ยวกับขีดจำกัดล่าสุดของขนาดโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าอิเล็กตรอน  ซึ่งจะเป็นการปรับปรุงครั้งแรกในรอบหนึ่งทศวรรษ

การวัดขนาดตามความเป็นจริงของโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าอิเล็กตรอน “จะนับเป็นการค้นพบที่ใหญ่มาก” Eugene Commins นักฟิสิกส์ที่ปลดเกษียณจากมหาวิทยาลัย  รัฐแคลลิฟฟอร์เนีย  Berkeley  กล่าว “และสมควรได้รับรางวัลโนเบล”

อะไรอยู่ภายใน

นักฟิสิกส์ตั้งสมมติฐานว่าที่โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าทำให้อนุภาคขัดการสมมาตรเชิงเวลา  แม้ว่าการสมมาตรแบบสมบูรณ์ดูเป็นสิ่งที่ดี นักวิทยาศาสตร์ทราบถึงกระบวนการที่อนุภาค (เช่น B-มีซอน) มีพฤติกรรมการทำงานที่แตกต่างกันเมื่อเวลาเดินไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ ซึ่งการที่จะเกิดเหตุการณ์เช่นนั้นได้ อิเล็กตรอนขึ้น(และอนุภาคพื้นฐานอื่นๆ)จะต้องมีโครงสร้างภายในบางอย่าง ซึ่งถูกแสดงให้เห็นในรูปโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า

การจะมองภาพโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าของอิเล็กตรอน ก็ให้นึกถึง “กลุ่มหมอกที่วิ่งไปกับอิเล็กตรอน”  มีลักษณะคล้ายกับนิสัยของPig-Penในการ์ตูนเรื่องชาร์ลีบราวน์” DeMille  กล่าว

หากขยายขนาดของกลุ่มหมอกไปถึงขนาดของโลกและประจุบวกจะปรากฎเป็นรอยเว้าเล็กๆบนขั้วเหนือ  ในขณะที่ประจุลบเพิ่มขึ้นจะปรากฏเป็นรอยนูนเล็กๆบนขั้วใต้ ขนาดของรอยนูนหรือรอยเว้านี้จะมีได้ไม่เกิน 1/1000 ของความกว้างของเส้นผมมนุษย์จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งของโลก

แบบจำลองมาตรฐานได้คาดการณ์โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าของอิเล็กตรอนจะน้อยกว่า10-38 ในหน่วยของประจุอิเล็กตรอนคูณเซนติเมตร ซึ่งเทียบได้กับการแยกอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันด้วยระยะทาง 10-38 เซนติเมตร แต่ทฤษฎีซึ่งขยายแบบจำลองมาตรฐานเพิ่มเติมได้คาดคะเนค่านี้ว่าอยู่ที่ประมาณ 10-25 ถึง 10-30 เซนติเมตร ในปี 2002  ทีมของ Commins ได้ประกาศขอบเขตที่เข้มงวดที่สุดที่ 1.610-27 ซึ่งหมายความว่า  นักวิจัยใกล้จะมีการค้นพบค่าที่วัดได้ยากยิ่งนี้แล้ว

การย้อนเวลา (time reversal) โดยการกลับทิศทางการหมุน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศของคู่ขั้วแม่เหล็ก (สีน้ำเงิน) ในขณะที่ทิศของคู่ขั้วไฟฟ้า (สีเขียว) คงเดิม ซึ่งแปลว่าการมีคู่ขั้วไฟฟ้า จะทำให้อนุภาคสามารถขัดกฏสมมาตรทางเวลาได้ (Physics World December 2009)

ผู้ที่ทำการทดลองในแต่ละครั้งไม่สามารถตรวจจับโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าได้แม้จะมีการเพิ่มความไวของการทดสอบ  พวกเขามีข้อจำกัดอย่างกว้างขวางที่รัดกุม เช่นเดียวกับการลดความสูงของไม้คั่นในเกมลอดไม้ลิมโบ (limbo)  เมื่อความสูงลดลง  นักทฤษฎีก็ต้องตัดทฤษฎีที่ไม่ถูกต้องออกไป “นักทฤษฎีที่ดีสามารถสร้างแบบจำลองได้ใน 1 ชั่วโมง  แต่ต้องใช้เวลาถึง 20 ปีในการทำลายแบบจำลองนั้น”  Commins กล่าว

ขีดจำกัดในปัจจุบันได้ปฏิเสธแนวคิดที่เรียกว่า สมมาตรยิ่งยวด(Supersymmetry) ไปแล้ว ซึ่งทฤษฎีนี้เสนอว่าการที่สสารกับปฏิสสารมีปริมาณไม่เท่ากันก็เพราะมีอนุภาคที่ยังมองไม่เห็นเรียกว่า “Superpartner” หากนักวิจัยสามารถเพิ่มขีดจำกัดถึง 10-29 ก็จะทำให้ต้องตัดกฎอื่นๆ ที่ได้ขยายจากแบบจำลองมาตรฐานซึ่งพยายามที่จะแก้ปัญหาสสารโดยเสนออนุภาคที่เรียกว่า ฮิกส์ โบซอน (Higgs boson) ซึ่งเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider ในยุโรปถูกได้ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบ

ในการวัดโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าอิเล็กตรอน  นักฟิสิกส์ต้องการที่จะสังเกตุอิเล็กตรอนอย่างใกล้ชิดเมื่อสนามไฟฟ้าได้สลับขั้ว  พวกเขาต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับคุณสมบัติการตอบสนองว่าแตกต่างกันหรือไม่เมื่อสนามมีทิศทางที่แตกต่างกัน ซึ่งจะหมายถึงอิเล็กตรอนมีโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า การจะสังเกตเห็นถึงความแตกต่างเป็นสิ่งที่ทำได้ยากโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีความผูกพันกัน  มันง่ายที่จะมีการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กเมื่อมีการเปลี่ยนสนามไฟฟ้า  หากเกิดเหตุการณ์เช่นนี้  สปินของอิเล็กตรอนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งอาจถูกมองเป็นการตอบสนองถ้าอิเล็กตรอนมีโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์จึงได้มีการพัฒนาวิธีการมากมายเพื่อเพิ่มโอกาสในการตรวจสอบโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าโดยดูอิเล็กตรอนให้นานที่สุด  โดยเพิ่มการเกิดปฏิกิริยาและกำจัดข้อผิดพลาดของแหล่งกำเนิดภายนอก  เป็นการทำงานที่ละเอียดจนเกินไปและไม่ได้ผล  ที่แฮมเฮิร์ท,  ฮันเตอร์ได้ใช้เวลาหลายปีในการปรับเปลี่ยนการทดลองกับอะตอมซีเซียมและได้เผยแพร่ขอบเขตในปี ค.ศ.1989  ในปีถัดมา Commins ก็ทำงานได้ผลดีกว่า โดยที่ Berkeley เขาได้สังเกตโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าในอะตอมแทลเลียมในช่วงเช้ามืดที่ไม่มีรถไฟวิ่ง เพราะรถไฟเป็นสิ่งที่อาจรบกวนการวัดได้

(จบภาคแรก)

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s