การศึกษาปฏิสสารแอนติไฮโดรเจน (antihydrogen)

          แอนติไฮโดรเจน (antihydrogen) ประกอบด้วย แอนติโปรตรอน (antiproton) {-} และ โพซิตรอน (positron) {+} ซึ่งองค์ประกอบทั้ง 2 เป็นปฏิอนุภาค (antiparticle) มีขั้วตรงข้ามกับ โปรตอน {+} และ อิเล็กตรอน {-} ตามลำดับ ซึ่งเป็นขององค์ประกอบไฮโดรเจนปรกติทั่วไป ดังรูปที่ 1 โดยแอนติไฮโดรเจนจึงกลายเป็นธาตุแรกของสิ่งที่เรียกว่า ปฏิสสาร (antimatter) 

          ปฏิอนุภาค หรือ ปฏิยานุภาค เป็นที่เริ่มต้นรู้จักกันในปี 1928 โดยนักฟิสิกส์ พอล ดิแรก (Paul Dirac) ที่ตีความจากกลศาสตร์ควอนตัมพิจารณาอนุภาคอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสงจึงรวมทฤษฏีสัมพัทธภาพเข้าไปด้วยจนได้เป็นสมการดิแรกตามชื่อของเขา คำตอบของสมการนี้ให้ความสัมพันธ์ของพลังงานกับโมเมนตัม ได้ออกมาเป็น 2 ค่า คือ พลังงานบวกและพลังงานลบ ซึ่งพลังงานมีค่าเป็นบวกนั้นเป็นเรื่องปกติในฟิสิกส์ แต่ดิแรกมีความจริงจังเกี่ยวกับพลังงานลบนี้โดยสร้างรูปแบบการกำเนิดอนุภาคในมุมมองใหม่ในสมัยนั้นด้วย การแบ่งระดับพลังงานในโซนบวกและโซนลบดังรูปที่ 2 ที่ระดับพลังงานลบมีอิเล็กตรอนอยู่เต็มพื้นที่ เรียกว่า ทะเลอิเล็กตรอนของดิแรก (ลายน้ำ) เมื่อมีรังสีแกมม่า (พลังงานสูง) มากระตุ้นทำให้อิเล็กตรอนโซนลบมาอยู่ในโซนบวก กระบวนการนี้เรียกว่า การสร้างคู่ (pair creation) ดังรูปที่ 2a เป็นการกำเนิดอนุภาค เมื่ออิเล็กตรอนมาอยู่ในโซนบวกแต่ในทะเลอิเล็กตรอนเกิดโพรง (hole) ซึ่งในโซนบวกแสดงออกมาเป็นปฏิอนุภาคที่มีประจุบวก (positive) จึงตั้งชื่อว่า โพซิตรอน (positron)

          โพซิตรอน ได้กลายเป็นปฏิอนภาคของอิเล็กตรอน เมื่อนำอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคมาใกล้กับโพซิตรอน อิเล็กตรอนกระโดดลงไปในโพรงในโซนลบทำให้ทั้งโพซิตรอนหายไปด้วยและปลดปล่อยพลังงานออกมา กระบวนการนี้ เรียกว่า การประลัยคู่ (annihilation) ดังรูปที่ 2b โดยรูปแบบจากนามธรรมเหล่านี้ของดิแรกเป็นสิ่งที่ยากจะเชื่อถือของนักฟิสิกส์หลายคนในสมัยนั้น จนกระทั่งปี 1932 คาร์ล แอนเดอร์สัน (Carl Anderson) ได้พบโพซิตรอนซึ่งเป็นเส้นโค้งที่เกิดจากการเบี่ยงเบนจากสนามแม่เหล็กสามารถบ่งบอกได้ว่าเป็นประจุบวกซึ่งเป็นหลักฐานในการค้นพบปฏิอนุภาค ดังรูปที่ 2c หลังจากนั้นก็มีการค้นหาและค้นพบปฏิอนุภาคอื่นๆ ที่เป็นคู่ตรงข้ามในอนุภาคมูลฐาน (Elementary particles) ต่างๆ


          การศึกษาโครงสร้างอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งมีองค์ประกอบ โปรตรอนและอิเล็กตรอนอย่างละตัว น่าจะมีความง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจ แม้ว่าในปี 1920 นักฟิสิกส์ได้ใช้กลศาสตร์ควอนตัมสร้างโมเดลโครงสร้าง (Fine structure) อะตอมไฮโดรเจนโดยรวมผลของสัมพัทธภาพเข้าไปด้วยที่คิดว่ามีความสมบูรณ์แบบตรงกับการทดลองหลายๆ อย่าง แต่ในปี 1947 วิลลิส แลมบ์ (Willis Lamb) ได้พบการคลายพลังงานที่จากช่องว่างพลังงาน (energy gap) ระหว่าง 2S กับ 2P ซึ่งเรียกว่า Lamb shift ที่มีพลังงานน้อยกว่า 2S ไป 1S กับ 2P_(3/2) ไป 2P_(1/2) ดังรูปที่ 3a การค้นพบ Lamb shift เป็นเรื่องที่ไม่คาดคิดที่ไม่มีในโมเดลโครงสร้างอะตอมไฮโดรเจนที่กล่าวก่อนหน้านี้ เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างความแปรปรวนพลังงานสูญญากาศ (vacuum energy fluctuation) กับอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนในวงโคจรอิเล็กตรอนทำให้เกิด Lamb shift  ซึ่งวัดได้ยาก เนื่องจากมีค่าพลังงานน้อยมาก จากปรากฏการณ์นี้เป็นส่วนหนึ่งในการพัฒนาไปสู่ควอนตัมอิเล็กโตไดนามิกส์ (quantum electrodynamics) ที่อธิบายปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคกับแสง

          ในปี 1995 อะตอมแอนติไฮโดรเจนจำนวน 11 อะตอมเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาโดยเครื่องเร่งอนุภาคของ CERN พุ่งระหว่างท่อสุญญากาศ 10 เมตร ด้วยความเร็ว 9 ใน 10 ส่วนของความเร็วแสงโดยแต่ละอะตอมอยู่ได้ประมาณ 10 นาโนวินาที ก่อนสลายไปโดยชนกับเครื่องตรวจวัดอนุภาค (particle detector) ในปัจจุบันการศึกษาแอนติไฮโดรเจนเป็นหน้าที่ของ ALPHA ซึ่งได้รับแอนติโปรตรอนจาก CERN และมีโพซิตรอนจากแหล่งกำเนิดรังสีโซเดียมโดยทุกๆ สองสามนาทีมี 90,000 แอนติโปรตอนและ 3 ล้าน โพซิตรอนมาผสมกันด้วยกระบวนการนี้ได้ให้ 20 แอนติไฮโดรเจนต่อครั้งซึ่งถูกกักขังด้วยสนามแม่เหล็กที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดสามารถเก็บแอนติไฮโดรเจนได้นานถึง 60 ชั่วโมง ในปี 2020 วารสาร Nature ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง Investigation of the fine  structure of antihydrogen โดยกลุ่มนักวิจัยใน ALPHA ได้นำเสนอผลการวัดด้วยกล้องสเปกตรัมเลเซอร์ (laser spectroscopy) ความแม่นยำสูงสามารถวัดพลังงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานต่างๆ และพบ Lamb shift ซึ่งได้โครงสร้างของแอนติไฮโดรเจนเทียบเหมือนกับไฮโดรเจนจากในตารางแสดงถึงความแตกต่างกันน้อยมากในรูปที่ 3a และ ตารางความถี่เปรียบเทียบการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานระหว่างแอนติไฮโดรเจนกับไฮโดรเจนในรูปที่ 3b

          ในวันที่ 31 มีนาคม ปี 2021 วารสาร Nature ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง Laser cooling of antihydrogen atoms ในครั้งนี้กลุ่มนักวิจัย ALPHA พยายามลดอุณหภูมิของอะตอมแอนติไฮโดรเจนขณะที่อยู่ในสนามแม่เหล็กมีความเร็วประมาณ 300 km/hr โดยการยิงเลเซอร์พัลส์ (laser pulse) ได้ในแนวระดับเท่านั้นดังรูปที่ ซึ่งมีความยากกว่าการลดอุณหภูมิอะตอมที่สามารถใส่ได้ 6 ทิศทาง นอกจากนี้แอนติไฮโดรเจนมีความเร็วและเลเซอร์พัลส์มีความเร็วสวนกันจึงทำให้ความถี่เปลี่ยนจากปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler effect) ทำให้ทางทีมงาน ALPHA จึงต้องจูนความถี่ของเลเซอร์พัลส์ทำให้ความถี่ที่ดูดกลืนโดยแอนติไฮโดรเจนจะเกิดสถานะกระตุ้นและปล่อยพลังงานในทุกทิศทุกทางดังรูปที่ 4a ซึ่งจะเป็นการหักล้างความเร็วแอนติไฮโดรเจน  ด้วยเหตุนี้จึงเป็นงานยากในการลดอุณหภูมิของปฏิสสาร โดยทีมงานสามารถลดความเร็วแอนติไฮโดรเจนได้ต่ำกว่า 50 km/hr ซึ่งทำให้มีอุณหภูมิลดลงหรือเคลื่อนที่ช้าลงหรือสั่นน้อยลงจะสามารถนำไปต่อยอดในการทดลองปฏิสสารอื่นๆ ได้ในอนาคต

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Laser cooling of antihydrogen atoms. Nature 592, 35–42 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03289-6
• [2] Antimatter cooled by laser light, Nature 592, 27-28 (2021)
• [3] The ALPHA Collaboration., Ahmadi, M., Alves, B.X.R. et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375–380 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2006-5
• [4] Fundamental symmetry tested using antihydrogen, Nature 578, 369-370 (2020)
• [5] https://sites.ualberta.ca/~gingrich/courses/phys512/node63.html