ทฤษฎีทาง “รงคพลศาสตร์ควอนตัม” (Quantum Chromodynamics) ได้บ่งบอกว่า ภายในโปรตอน นอกจากประกอบไปด้วยควาร์กแท้ (valence quark) สามตัว ซึ่งได้แก่ ควาร์กบน (up quark) สองตัว และ ควาร์กล่าง (down quark) หนึ่งตัว มันยังมีองค์ประกอบที่เรียกว่า “ทะเล (sea)” ของอนุภาคกลูออนและ คู่ของปฏิควาร์กกับควาร์ก ที่เกิดขื้นและสลายตัวไปอย่างรวดเร็วในเศษเสี้ยววินาทีอยู่ตลอดเวลา และเป็นเวลานานกว่า 20 ปีแล้ว ที่นักฟิสิกส์รู้ว่า เหล่าควาร์กแท้ทั้งสามตัว ไม่ได้เป็นตัวที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่สำคัญ (อย่าง ประจุ โมเมนต์แม่เหล็ก และสปิน) ของโปรตอน ทั้งหมด 100% ทำให้พวกเขาเฝ้าหาคำตอบว่า อิทธิพลที่เหลือมาจากเหล่าอนุภาคที่ผุดๆดับๆขึ้นอย่างรวดเร็วตลอดเวลาภายในโปรตอนที่เรียกว่า “ควาร์กทะเล” (sea quarks) หรือเปล่า

และจากการยิง อิเล็กตรอนพลังงานสูงเข้าไปที่เป้าของโปรตอนในไฮโดรเจนเหลว ที่ศูนย์ทดลอง Jefferson Lab ทำให้ได้ข้อสรุปว่า ควาร์กแปลก (strange quark) ภายในโปรตอนมีอิทธิพลต่อค่าโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนประมาณ 5%

จากโครงการ G0 (อ่านว่า จี ซีโร่) ที่ศูนย์ทดลอง Jefferson Lab รัฐเวอร์จิเนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ทำการทดลองโดยยิงลำอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงเข้าไปที่โปรตอนเป้าของไฮโดรเจนเหลว เพื่อศึกษาถึงอิทธิพลต่อของควาร์กแปลกในกลุ่มทะเลควาร์กต่อคุณสมบัติแม่เหล็กของโปรตรอน เหตุที่นักฟิสิกส์เลือกศึกษาควาร์กแปลก มากกว่าควาร์กชนิดอื่นๆก็เพราะว่า มันเป็นควาร์กที่สามารถแยกออกมาศึกษาได้ง่ายที่สุด ถึงแม้ว่า ควาร์กบนและควาร์กล่างจะเป็นอนุภาคที่มีมากที่สุดในหมู่ทะเลควาร์กของโปรตอน แต่ว่า ควาร์กสองตัวนี้เป็นควาร์กชนิดเดียวกับควาร์กแท้ ด้วย เลขควอนตัม (quantum number) ที่เหมือนกัน จึงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะได้ว่า ผลที่ได้จากการทดลองเป็นอิทธิพลมาจากควาร์แท้หรือควาร์กทะเล

ถัดจากควาร์กบนและล่างแล้ว ควาร์กแปลกเป็นควาร์กที่เบาที่สุดหมู่ควาร์กที่เหลือ ดังนั้นมันจึงเป็นอนุภาคที่ทรงอิทธิพลต่อคุณสมบัติของโปรตอนมากที่สุดในหมู่ทะเลควาร์ก

หลักการที่สำคัญที่โครงการทดลอง G0 ใช้ในการศึกษาอิทธิพลของควาร์กแปลกครั้งนี้ คือ ธรรมชาติที่ต่างกันของ อันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interaction) และอันตรกิริยาแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Interaction) ตรงที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามี “การอนุรักษ์สมมาตรซ้ายขวา” หรือ parity conservation แต่ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนไม่มีการอนุรักษ์ดังกล่าว หรือ ที่เรียกว่า parity violation ดังนั้นเมื่อ นักฟิสิกส์ทำการยิงอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีคุณสมบัติสปิน ที่เป็นไปได้ทั้งซ้ายและขวา (การหมุนในทิศทางเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของมัน เรียกว่า มันมีสปินขวาหรือ right-handed spin ส่วนการหมุนสวนทางกับการเคลื่อนที่ของมันเรียกว่ามีสปินซ้าย left-handed spin) เข้าไปสู่เป้าของโปรตอน เมื่อมีการเกิดอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า จำนวนของอิเล็กตรอนที่มีสปินซ้ายและสปินขวาจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่ว่า ในถ้ามีการเกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนแล้ว การละเมิดสมมาตรซ้ายขวาจะเกิดขึ้น และก่อให้เกิดจำนวนที่แตกต่างของเหตุการณ์ของจำนวนอิเล็กตรอนที่มีสปินซ้ายและสปินขวา ด้วยการเปรียบเทียบระหว่างอันตรกิริยาทั้งสอง ทำให้นักฟิสิกส์สามาถจำแนกอิทธิพลที่มาจากควาร์บนและควาร์กล่าง จากควาร์กแปลกได้

สิ่งที่ท้าทายในการทดลองนี้ คือการทำอย่างไรเพื่อจะวัดจำนวนการเกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนได้ เนื่องจากว่า จำนวนการเกิดอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมากกว่าจำนวนของการเกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนมากๆ การทดลองจึงต้องออกแบบให้วัดความแตกต่างที่เกิดขึ้นน้อยมากๆนี้ให้ได้

การทดลองที่ G0 ยังไม่ได้ผลสรุปที่แน่นอนถึงขนาดยืนยันว่าถูกต้อง 100% แต่ว่าเมื่อนำผลที่ได้มารวมกับข้อมูลจากการทดลองในศูนย์ทดลองต่างๆทั่วโลก ทำให้พอประมาณได้ว่า โมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) ของโปรตอนนั้นมีอิทธิพลมาจากการประพฤติตัวของ ควาร์กแปลกในทะเลควาร์กภายในโปรตอนประมาณ 5% ซึ่งตัวเลขที่ได้นี้ John W. Negele นักฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเสตต์กล่าวว่า “ขัดกับตัวเลขที่ได้จากการคำนวณทางทฤษฎีเกือบทั้งหมด” โดยที่ ค่าที่ได้จากงานทางทฤษฎีอันหนึ่ง ได้ประมาณว่า อิทธิพลของควาร์กแปลกประมาณ -0.5% โดยค่าที่ได้ทางทฤษฎีส่วนใหญ่ มาจากการคำนวณโดยใช้ supercomputer และการตั้งข้อยกเว้นต่างๆมากมายเพื่อให้การคำนวณไม่ยุ่งยากจนเกินไป ดังนั้นนักทฤษฎี ต่างก็ไม่ประหลาดใจเลยกับความแตกต่างที่มากอย่างที่การทดลองหาได้นี้”

Negele กล่าวอีกว่า ผลที่ได้จากโครงการ G0 “ทำให้เราได้ให้ภาพรวมที่ดี” ของการประพฤติตัวของควาร์กแปลกภายในโปรตอน แล้วยังบ่งบอกถึงความท้าทาย อีกชิ้นหนึ่งที่รอนักฟิสิกส์อนุภาคและนักฟิสิกส์ทฤษฎีอยู่ นอกจากนี้ Negele ยังให้ข้อคิดเห็นเพิ่มเติมอีกว่า ในงานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคในยุคข้างหน้า คอมพิวเตอร์ จะช่วยให้นักทฤษฎีสามารถศึกษาอันตรกิริยาของควาร์กได้อย่างที่พวกเขาไม่เคยแม้ที่จะฝันมาก่อน


ข้อมูลจาก
http://www.physorg.com/news6048.html
http://cerncourier.com/main/article/45/8/20

ข้อมูลเพิ่มเติม
- เว็บเพื่อการศึกษาฟิสิกส์อนุภาคที่ Jefferson Lab
http://education.jlab.org/
- เว็บศูนย์ทดลอง Jefferson Lab
http://www.jlab.org/


ภาพข้างบนเป็นภาพแสดงควาร์กทั้ง 6 ชนิด (ภาพจากเว็บของ JLab http://www.jlab.org/)