STAR Collaboration ค้นพบ ‘ทางแยกกลูออน’ ตัวจริงที่ถือเลขแบริออนของโปรตอน

ไขปริศนาโปรตอน: ‘ทางแยกกลูออน’ ตัวจริงที่ถือเลขแบริออนของโปรตอน

หลายคนอาจเคยได้ยินว่าโปรตอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว (อัพ อัพ ดาวน์) แต่ผลการทดลองใหม่ล่าสุดจากทีม STAR Collaboration ที่เครื่องชนอนุภาค RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน (BNL) สหรัฐอเมริกา ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Science กำลังจะเปลี่ยนบทเรียนฟิสิกส์ที่เราเคยรู้กันไปตลอดกาล

หลักฐาน: ควาร์กไม่ใช่ผู้ถือ ‘เลขประจำตัว’ ของโปรตอน

ในการทดลองฟิสิกส์อนุภาค มีคุณสมบัติสำคัญที่เรียกว่า ‘เลขแบริออน’ (Baryon Number หรือ B) ซึ่งเป็นเหมือนเลขประจำตัวที่บอกว่าเป็นสสาร (มีค่า B=1) หรือปฏิสสาร (B=-1) ความเชื่อดั้งเดิมคือ ควาร์กสามตัวในโปรตอนแต่ละตัวถือเลขแบริออนตัวละ 1/3 รวมกันจึงได้เป็น 1

แต่ผลการทดลองของ STAR ได้พลิกความเชื่อนี้ด้วยการวัดสามประเภทที่แตกต่างกัน :

1. การชนไอโซบาร์ (Isobar Collisions): ชนรูทีเนียม-รูทีเนียม (Ru+Ru) เทียบกับเซอร์โคเนียม-เซอร์โคเนียม (Zr+Zr) ซึ่งมีจำนวนนิวคลีออนเท่ากันแต่จำนวนโปรตอนต่างกัน เพื่อแยกผลของประจุไฟฟ้าออกจากเลขแบริออน
2. การชนด้วยโฟตอน (Photon-Gold Collisions): ใช้โฟตอนพลังงานสูงยิงเข้าไปในนิวเคลียสทองคำ เพื่อดูการเกิดแบริออนในมุมต่างๆ
3. การชนทองคำ-ทองคำ (Au+Au Collisions): วัดผลผลิตของโปรตอน (net-proton) ที่เกิดขึ้น

ผลลัพธ์จากทั้งสามวิธีสอดคล้องกันอย่างน่าทึ่ง นั่นคือ พบการลำเลียงเลขแบริออนไปยังบริเวณกลางการชนมากเกินกว่าที่แบบจำลองที่ให้ควาร์กเป็นตัวถือจะอธิบายได้ ข้อมูลนี้ชี้ให้เห็นว่าตัวถือเลขแบริออนที่แท้จริงไม่ใช่ควาร์ก แต่เป็นโครงสร้างรูปตัว Y (Y-shaped junction) ของสนามกลูออน (gluon field) ซึ่งเป็น ‘กาว’ ที่เชื่อมควาร์กทั้งสามตัวเข้าด้วยกัน

‘Gluon Junction’: ทางแยกผู้ทรงพลัง

แนวคิด ‘baryon junction’ หรือทางแยกของกลูออนนี้ถูกเสนอขึ้นมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 แต่ยังไม่มีหลักฐานทดลองที่แน่ชัดจนกระทั่งทีม STAR ทำการวัดได้สำเร็จ โครงสร้างทางทอพอโลยีนี้มีสมบัติพิเศษคือ :

• ถือเลขแบริออนเต็มหน่วย (B=1) ไม่ใช่แค่ 1/3
• ไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากควาร์กที่มีประจุ
• ถูก ‘หยุด’ ได้ง่าย ในการชนกันด้วยพลังงานสูง ทางแยกนี้จะถูกทำให้ช้าลงได้ง่ายกว่าควาร์กที่วิ่งด้วยความเร็วสูงมาก พลังงานของมันจะถูกปลดปล่อยและกลายเป็น ‘แบริออนใหม่’ ที่กระจายตัวพุ่งออกไปในแนวตั้งฉากกับแนวชน

ในขณะที่ควาร์กซึ่งเคยถูกมองว่าเป็นตัวถือเลขแบริออน กลับวิ่งทะลุผ่านไปโดยแทบไม่มีอะไรเกิดขึ้น

ความสำคัญ: จากโปรตอนสู่ความลับของจักรวาล

การค้นพบนี้ไม่ได้เป็นเพียงการปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตอนเท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบในวงกว้างอย่างยิ่ง :

1. เปลี่ยนโฉมหน้าวิชาฟิสิกส์อนุภาค: มันบอกเราว่ากลูออนไม่ได้เป็นแค่ ‘กาว’ ยึดเหนี่ยวเฉยๆ แต่มันเป็นตัวกลางที่ถือคุณสมบัติควอนตัมอนุรักษ์ที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่ง (baryon number) ทำให้สสารกลูออน (gluonic matter) มีบทบาทโดยตรงต่อเสถียรภาพของสสารที่เรามองเห็น
2. ไขปริศนาสสาร-ปฏิสสาร: การลำเลียงเลขแบริออนในลักษณะนี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับกระบวนการในเอกภพยุคแรกเริ่ม ซึ่งอาจเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าทำไมจักรวาลของเราจึงประกอบด้วยสสารมากกว่าปฏิสสาร (matter-antimatter asymmetry)
3. หนทางสู่การค้นพบใหม่: ผลการทดลองนี้สนับสนุนการมีอยู่ของโครงสร้างที่แปลกประหลาดอื่นๆ ที่ทำนายโดยทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) เช่น ลูกกลูออน (glueballs) หรือ ‘ลูกบอลกลูออน’ (baryonium glueballs และ gluonic buckyballs) ซึ่งเป็นสสารที่ประกอบด้วยกลูออนล้วนๆ โดยไม่มีควาร์ก

สรุป: การค้นพบของ STAR Collaboration ครั้งนี้เปรียบเสมือนการพลิกตำราฟิสิกส์ครั้งสำคัญ มันตอกย้ำว่าแม้เราจะรู้จักโครงสร้างของอะตอมมาหลายร้อยปี แต่โลกของอนุภาคมูลฐานและแรงนิวเคลียร์ยังคงซ่อนความลับอันน่าทึ่งรอการค้นพบอีกมาก