Origin and Evolution of The Universe, Universe
กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#19 สสาร-ปฏิสสาร (Matter-Antimatter)
The birth of matter-antimatter in early universe
ในช่วงการพองตัว (Inflation) จักรวาลเต็มไปด้วยพลังงาน การขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลทำให้อุณหภูมิของจักรวาลลดต่ำลง และเมื่อการพองตัวหยุดลง อุณหภูมิของจักรวาลสูงขึ้นมาอีกครั้งหนึ่ง (reheating) ทำให้จักรวาลมีความร้อนและมีความหนาแน่นอย่างยิ่งยวด สสาร (matter) และปฏิสสาร (antimatter) ถูกสร้างขึ้นมาจากพลังงานบริสุทธิ์ และถูกทำลายอย่างต่อเนื่องจากการชนกัน
กระบวนการสร้าง matter-antimatter เกิดขึ้นในช่วงเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีตั้งแต่ 10-32 ถึง 10-6 วินาที หลังการเกิด Big Bang อยู่ในช่วงเวลาของจักรวาลยุคแรก ซึ่งมีอนุภาคพื้นฐานเกิดขึ้นได้แก่ ควาร์ก (quark) กูลออน (gluon) เลปตอน (lepton) รวมทั้งอนุภาคของแสงหรือโฟตอน (photon)
ตามทฤษฎีบิกแบง จักรวาลยุคต้นมีการสร้าง matter และ antimatter ในปริมาณที่เท่ากัน สำหรับ quark มี antimatter (or antiparticle) คือ antiquark และสำหรับ lepton มี antimatter คือ antilepton
มีอนุภาคของ matter 3 ตัวถูกสร้างในช่วงเริ่มต้นของการกำเนิดจักรวาลนี้ คือ อิเล็กตรอน (electron) โปรตอน (proton) และ นิวตรอน (neutron) สำหรับ antimatter หายไป ซึ่งจะกล่าวถึงเรื่องนี้อีกครั้งในตอนท้ายของบทความนี้
Electron ซึ่งเป็นชนิดหนึ่งของ lepton เกิดขึ้นที่เวลา 10-32 วินาที หลังการเกิด Big Bang ส่วน proton และ neutron ถูกสร้างจากการรวมตัวของ quark สามตัว ที่เวลา 10-6 วินาที หลังการเกิด Big Bang
Proton = 2 up quark + 1 down quark
Neutron = 1 up quark + 2 down quark
abyss.uoregon.edu
สสาร (matter) และ ปฏิสสาร (antimatter) มีมวลเท่ากัน ต่างตรงที่มีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน และจะถูกสร้างมาเป็นคู่เสมอ เมื่อพวกมันมาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายซึ่งกันและกัน ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานบริสุทธิ์ออกมา
quora.com
สิ่งที่เรามองเห็นอยู่ทุกวันนี้ รวมทั้งสิ่งที่ประกอบเป็นเรา คือสสาร (matter) แต่เราไม่เห็นปฏิสสาร (antimatter) มันหายไปไหน (โชคดีมากที่มันหายไป เพราะถ้ามันยังอยู่ ไม่มีเราในทุกวันนี้)
Alan Walker, Sabrina Carpenter, Farruko – On My Way
slideshare.com
ปฏิสสาร (antimatter) ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1928 โดย Paul Dirac เขาเป็นผู้สร้างสมการ Dirac equation ซึ่งค้นพบปฏิอนุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอน
สมการของ Dirac ได้ 2 คำตอบคือ คำตอบที่ 1 สำหรับ electron ที่มีพลังงานบวก และอีกอันสำหรับ electron ที่มีพลังงานลบ เขาได้ประกาศในปี 1931 ว่า electron มี 2 ชนิด คือ ชนิดที่มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งเรารู้จักกันดี และชนิดใหม่ซึ่งเป็นปฏิอนุภาค ของ electron มีประจุไฟฟ้าบวก ที่เรียกว่า โพสิตรอน “positron”
สมการของ Dirac ยังแสดงว่ามีสมมาตร (symmetry) ระหว่าง electron และ positron ซึ่งทำให้เขาตั้งข้อสงสัยว่าดวงดาวครึ่งหนึ่งในจักรวาลอาจสร้างจาก antimatter
การค้นพบนี้ทำให้ Paul Dirac ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 1993 ขณะมีอายุเพียง 31 ปี เขาเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งฟิสิกส์ สาขากลศาสตร์ควอนตัม และได้ชื่อว่าเป็น 1 ใน 10 นักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ (อันดับ 1 คืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์)
หมายเหตุ: ถ้าผู้อ่านยังจำได้ ได้เคยกล่าวถึง Paul Dirac มาแล้วในตอนที่ผ่านมา ซึ่งเขาเป็นคนที่เสนอว่า มีความเป็นไปได้ที่จะมีแม่เหล็กขั้วเดียวในธรรมชาติ (magnetic monopole) จากความคล้ายกันของประจุไฟฟ้าและแม่เหล็ก
ektalks.blogspot.com
Paul Dirac ประกาศการค้นพบ positron จากสมการของเขาในปี 1931 หนึ่งปีต่อมา มันได้ถูกค้นพบโดย Carl Anderson ในปี 1932 จากการศึกษารังสีคอสมิกที่มีพลังสูงจากอวกาศที่กระทบชั้นบรรยากาศของโลกในห้องเมฆ (cloud chamber)
จากการศึกษารอยทางของอนุภาคในรังสีคอสมิกในห้องเมฆ Carl Anderson ได้ค้นพบอนุภาคซึ่งมีมวลเท่ากับ electron แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก จากการที่รอยทางเลี้ยวโค้งไปในทิศทางที่ตรงกันข้ามกับการเลี้ยวโค้งของ electron ในสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นสาเหตุให้เขาค้นพบ positron การค้นพบนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 1936 (เป็นรางวัลโนเบลที่ได้รับติดๆกันเร็วมาก หลังจากที่ Dirac ได้รับรางวัลนี้ในปี 1933)
desy.de
หลังการค้นพบ antimatter ของ electron คือ positron นักฟิสิกส์หลายคนพยายามค้นหา antimatter ของอนุภาคชนิดอื่นๆ โดยเฉพาะโปรตอน (proton) และต้องใช้เวลาถึง 23 ปีหลังการค้นพบ positron มีการค้นพบ antimatter ของ proton ในปี 1955 โดย Emilio Segre และ Owen Chamberlain ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 1959
cerncourier.com
รูปแสดงการค้นพบ antiproton ในเครื่องเร่งอนุภาค (rafael.uif.cas.cz)
การค้นพบ antimatter ของนิวตรอน ที่มีชื่อว่า antineutron เกิดขึ้นหนึ่งปีหลังการค้นพบ antiproton โดย antineutron ถูกค้นพบจากการชนกันของ proton และ antiproton ในเครื่องเร่งอนุภาค ทำให้เกิด neutron และ antineutron
จากรูปข้างล่าง p + anti-p = n + anti-n
Rafael.uif.cas.cz
สำหรับการค้นพบ antimatter ในธรรมชาติ เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 2011 งานวิจัยของ American Astronomical Society ทำให้ค้นพบ positron ที่มีต้นกำเนิดจากเมฆฝนฟ้าคะนอง
phys.org
และมีการค้นพบ antiproton ในแถบรังสีแวน แอลเลน (Van Allen Belts) รอบโลก ซึ่งเป็นอาณาบริเวณที่มีอนุภาคแบบประจุไฟฟ้าอยู่ โดยประจุไฟฟ้าเหล่านี้มาจากการถูกดักไว้ด้วยเส้นแรงสนามแม่เหล็กที่ล้อมรอบโลกอยู่
watchers.news
Thomas Rhett – Make Me Wanna
slideplayer.com
Law of Energy Conservation
กฎแรกของเทอร์โมไดนามิกส์คือ กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of energy conservation) คือ พลังงานในระบบอิสระ (isolated system) จะมีค่าคงที่ นั่นหมายถึงพลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายหรือทำลายมันได้ แต่จะเกิดการเปลี่ยนรูปพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง
slideplayer.com
slideplayer.com
Albert Einstein’s Famous Formula
“สสารสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน และพลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นสสาร”
เมื่อปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอสมการอันโด่งดัง E = mc2 ซึ่งเป็นสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน เมื่อมวล (m) สลายไปทั้งหมด จะเกิดพลังงาน (E) มีค่าเท่ากับ มวลที่สลายไปคูณด้วยความเร็วแสงยกกำลังสอง
จากสมการของเขา E = mc2 แสดงให้เห็นว่า ถ้าสสารถูกทำลาย พลังงานจะถูกสร้างขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าพลังงานถูกทำลาย สสารก็จะถูกสร้างขึ้น นั่นคือสสารและพลังงานสามารถเปลี่ยนรูปกลับไปกลับมาได้ ซึ่งความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงาน (mass-energy equivalence: E = mc2) ได้รับการยืนยันจากการทดลองทางวิทยาศาสตร์ของนักฟิสิกส์ต่างๆมากมาย
จากสมการแสดงความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงาน (mass-energy equivalence: E = mc2) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และกฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of energy conservation) ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) จึงให้สสารและพลังงานมีปริมาณคงที่ในจักรวาล
Kygo, Miguel – Remind Me to Forget
Annihilation
เมื่อ electron และ positron มาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายล้างอย่างสมบูรณ์ที่เรียกว่า “annihilation” มวลของอนุภาคทั้งสองจะถูกแปลงเป็นพลังงานทั้งหมดในรูปของรังสีแกมม่า (gamma ray หรือ photon : γ) ออกมาสองตัว เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of energy conservation) และ ความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงานของไอน์สไตน์ (mass-energy equivalence: E = mc2)
steemit.com
จากสมการของ Einstein การชนกันของ electron และ positron ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงาน (E) จำนวนมหาศาลออกมา (เมื่อเทียบกับขนาดของ electron และ positron) เท่ากับ 1.637 x 10-13 Joules
หมายเหตุ : มวลของ electron และ positron เท่ากัน m = 9.109 x 10-31 kg ฉะนั้นมวลของทั้งสองอนุภาคจึงเท่ากับ 2 x 9.109 x 10-31 kg ส่วนความเร็วของแสง c = 2.998 x 108 m/sec
Pair Production
สสาร (matter) และ ปฏิสสาร (antimatter) มีมวลเท่ากัน ต่างตรงที่มีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน และจะถูกสร้างมาเป็นคู่เสมอ การสร้างคู่ของ matter-antimatter นี้เรียกว่า “pair production” ซึ่งเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับ annihilation ที่เป็นการทำลายล้าง matter-antimatter
ในทางทฤษฎี เมื่ออนุภาคของแสง คือ โพตอน (photon or gamma ray: γ) 2 ตัวมาปะทะกัน photon ซึ่งเป็นพลังงานจะถูกแปลงไปเป็นอนุภาคของ matter คือ electron และอนุภาคของ antimatter คือ positron ที่มีมวลเท่ากัน
แต่ในการทดลองจริงๆทั่วไป จะพบ photon ตัวเดียว เมื่อมาชนกับนิวเคลียสของอะตอม photon ซึ่งเป็นพลังงานจะถูกแปลงไปเป็น electron และ positron ที่มีมวลเท่ากัน
reserchgate.net
cnet.com
นักฟิสิกส์สร้าง antimatter โดยการปล่อยพลังงานจำนวนมากเข้าไปในพื้นที่ขนาดเล็ก ใช้เครื่องเร่งอนุภาคทำให้อะตอมมีพลังสูงถึงล้านล้านองศาเซลเซียส ซึ่งร้อนกว่าดวงอาทิตย์หลายแสนเท่า ซึ่งเป็นอุณหภูมิระดับเดียวกับของจักรวาลหลังการเกิด Big Bang ทันทีทันใด’
จากที่ได้อธิบายมา กฎของฟิสิกส์ที่มีมาบอกเราว่า matter และ antimatter เป็นกระจกเงาของกันและกัน ต่างกันตรงชนิดของประจุไฟฟ้า การทดลองซึ่งแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า matter และ antimatter ถูกสร้างมาในสัดส่วนที่เท่ากัน คือ CERN experiment ในเดือนตุลาคม 2017
CERN เป็นองค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียสแห่งยุโรป ทำการทดลองโดยการใช้เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลก เพื่อจำลองสภาวะของจักรวาลยุคแรกหลังการเกิด Big Bang การทดลองของ CERN ในปี 2017 มีจุดมุ่งหมายเพื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติพื้นฐานของ proton และ antiproton ผลจากการทดลองนี้เป็นการพิสูจน์อย่างหนักแน่นว่า ในจักรวาลยุคแรกมีการสร้าง matter และ antimatter ในปริมาณที่เท่ากัน
Birdy + Rhodes – Let it All Go
The birth of matter-antimatter in early universe
theday.co.uk
กระบวนการสร้าง matter-antimatter เกิดขึ้นในช่วงเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีตั้งแต่ 10-32 ถึง 10-6 วินาที หลังการเกิด Big Bang อยู่ในช่วงเวลาของจักรวาลยุคแรก (early universe) โดย matter-antimatter ถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการ “pair production” เมื่อพวกมันมาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายล้างที่เรียก “annihilation” ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานบริสุทธิ์ออกมา ในช่วง early universe จักรวาลมีความร้อนสูงและมีความหนาแน่นสูงด้วย matter-antimatter pairs
ตามทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) ซึ่งถูกยืนยันโดยการทดลองของ CERN บ่งบอกว่าจักรวาลยุคแรกสร้าง matter และ antimatter ในปริมาณที่เท่ากัน ขบวนการ annihilation ควรจะทำลายล้างพวกมันไปจนหมดสิ้น ทำให้จักรวาลมีแต่พลังงาน แต่ทุกวันนี้ ทุกๆสิ่งที่เราเห็นไม่ว่าจะเป็นรูปแบบสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุด ไปจนถึงวัตถุขนาดใหญ่ที่สุด สร้างมาจาก matter แทบทั้งสิ้น มีปริมาณของ antimatter ไม่มากนัก นั่นแสดงว่าจักรวาลยุคแรก มีปริมาณของ matter มากกว่า antimatter
การที่จักรวาลยุคแรก มีปริมาณของ matter มากกว่า antimatter ทำให้มี matter บางจำนวนรอดพ้นจากขบวนการ annihilation หลงเหลืออยู่ สร้างเป็นดวงดาว กาแลกซี่ สิ่งต่างๆ รวมทั้งตัวเรา แล้ว antimatter บางจำนวนของมันหายไปได้อย่างไร ต้องมีอะไรบางอย่างเกิดขึ้น
ความไม่สมดุลกันของ matter และ antimatter ในจักรวาลที่สังเกตุได้ เรียกว่า “matter-antimatter asymmetry” ซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดทางฟิสิกส์ที่ยังไม่มีใครสามารถเฉลยถึงสาเหตุการหายไปของ antimatter ได้