อสมมาตรเชิงประจุระหว่างโปรตรอนและนิวตรอน

สวัสดีปีใหม่ครับ ขอให้ชาววิชาการทั้งหลายประสบโชคชัยไร้โรคานะครับ
คราวนี้มาอ่านข่าวหนักๆสักหน่อยว่าสาขาวิชาที่ลึกซึ้งที่สุดของวิทยาศาสตร์ทั้งมวลเขาไปถึงไหนแล้ว

ที่มหาวิทยาลัยแห่งอินเดียนา สหรัฐอเมริกา ได้มีการพบกระบวนการทางอนุภาคมูลฐานที่ฝ่าฝืนความสมมาตรทางประจุเป็นครั้งแรก คาดว่าการค้นพบนี้สามารถนำไปสู่ความเข้าใจว่าทำไมหลังจากเกิดบิ๊กแบง เอกภพจึงมีจำนวนโปรตรอนมากกว่านิวตรอน

สมมาตรเชิงประจุระหว่างโปรตรอนและนิวตรอนนี้เป็นที่รู้จักมานานแล้วตั้งแต่สมัยเริ่มแรกของวิชาฟิสิกส์พลังงานสูง (High Energy Physics) หรือ ฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน (Elementary Particle Physics)แนวคิดนี้เสนอโดยไฮเซนเบอร์กโดยเรียกว่าทฤษฎีไอโซสปิน ( Isospin ) สมมาตรเชิงประจุในที่นี้หมายความว่าเมื่อนิวตรอนหรือโปรตรอนมีอันตรกิริยากับอนุภาคอื่นด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง(Strong Interaction) ทั้งโปรตรอนและนิวตรอนต่างก็ประพฤติตัวในแบบเดียวกัน ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าถ้าไม่มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ามาเกี่ยวข้อง โปรตรอนและนิวตรอนเปรียบเสมือนอนุภาคชนิดเดียวกันนั่นเอง(สมมาตร)

แต่เนื่องจากโปรตรอนมีประจุบวกในขณะที่นิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้าดังนั้นเมื่อใดที่มีอัตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้ามาเกี่ยวข้อง (อนุภาคมูลฐานสามารถมีอัตรกิริยาต่อกันได้ด้วยอันตรกิริยามากกว่า 1 อย่างในเวลาเดียวกันขึ้นกับชนิดและสมบัติของอนุภาคนั้นๆ) เรายังสามารถแยกแยะอนุภาค 2 ชนิดนี้ได้ นอกจากนี้นิวตรอนยังมีน้ำหนักมากกว่าโปรตรอนเล็กน้อย นิวตรอนอิสระจะสลายเป็น โปรตรอนอิเล็กตรอนและนิวตริโน ภายในเวลาประมาณ 10 นาที

คณะนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแห่งอินเดียนานำโดย Edwards Stephenson ใช้เครื่องไซโคลตรอนเพื่อเล็งลำรังสีดิวเทอรอน (คือนิวเคลียสของดิวเทอเรียมที่เป็นไอโซโทปหนึ่งของซึ่งนิวเคลียสจะมีทั้งโปรตรอนและนิวตรอนในขณะที่ไฮโดรเจนธรรมดาจะมีเพียงแค่โปรตรอนที่นิวเคลียส) ไปยังก๊าซของดิวเทอเรียม (มีอิเล็กตรอนอยู่ด้วย) ทำให้เกิดนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมขึ้นมา พร้อมกันนั้นพวกเขาได้สังเกตพบพายออน(pion - สัญลักษณ์คือตัวพายที่เรารู้จักนั่นเอง ประกอบด้วยควาร์กสองตัว) ซึ่งจะมีอายุอยู่เพียงช่วงสั้นๆแล้วสลายกลายเป็นโฟตอนสองตัว โดยข้อมูลของการชนนี้ถูกรวบรวมและคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยานี้ได้ เขียนได้เป็น

d + d ----> He + Pi

ซึ่งถ้าอนุภาคทั้งโปรตรอนและนิวตรอนต่างสมมาตรภายใต้อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างแข็งแล้ว ปฏิกิริยานี้จะไม่เกิดขึ้นเด็ดขาด ดังนั้นการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าแม้ไม่เอาอันตรกิริยาแบบแม่เหล็กไฟฟ้ามาคิด เราก็ยังจำแนกความแตกต่างระหว่างโปรตรอนและนิวตรอนได้

นักทฤษฎีคาดว่าความไม่สมมาตรเชิงประจุระหว่างนิวตรอนและโปรตรอนนี้มีต้นกำเนิดจากควาร์กที่ประกอบกันเป็นนิวตรอนและโปรตรอน โดยที่โปรตรอนประกอบด้วบควาร์ก up สองตัว และ down 1 ตัว ส่วนนิวตรอนประกอบด้วย 1 up และ 2 down ดังนั้นจึงมีประจุไฟฟ้าและมวลที่ต่างกัน

การค้นพบครั้งนี้ทำให้เราสามารถอธิบายได้ว่าเมื่อตอนที่เกิดบิ๊กแบงใหม่ๆเอกภพจะเย็นลงเรื่อยๆเมื่อถึงยุคที่นิวตรอนและโปรตรอนเกิดขึ้นอย่างเอกเทศและมีสมบัติความสมมาตรเชิงประจุนี้ ทำให้เกิดโปรตรอนมากกว่านิวตรอน และเนื่องจากโปรตรอนมีประจุบวกดังนั้นมันสามารถรวมตัวกับอิเล็กตรอนกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจน นั่นคือกำเนิดของดาวฤกษ์นั่นเอง สมมุตืว่าถ้าโปรตรอนหนักกว่านี้ เป็นไปได้ว่านิวตรอนอาจจะมีจำนวนมากกว่าทำให้การเกิดไฮโดรเจนน้อยลงหรือไม่มีเลย เอกภพอาจจะไม่เป็นอย่างที่เรารู้จักทุกวันนี้ก็ได้

ที่มา
http://www.aps.org/meet/APR03/baps/abs/S430003.html