สสารกับปฏิสสาร

สสารกับปฏิสสาร: ความไม่สมดุลที่ทำให้สสารครองเหนือกว่า

หนึ่งในปริศนาที่ลึกซึ้งที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่และจักรวาลวิทยาคือเหตุใดจักรวาลของเราจึงประกอบด้วยสสารเกือบทั้งหมด โดยมีปฏิสสารเพียงเล็กน้อย ตามความเข้าใจปัจจุบัน สสารและปฏิสสารควรถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่เกือบเท่ากันในช่วงเวลาต้น ๆ หลังบิ๊กแบง ซึ่งหมายความว่าพวกมันควรทำลายล้างกันจนหมดสิ้น—แต่กลับไม่เป็นเช่นนั้น ความเกินเล็กน้อยของสสาร (ประมาณหนึ่งส่วนในพันล้าน) รอดชีวิตและก่อตัวเป็นกาแล็กซี ดาวเคราะห์ และชีวิตในที่สุด ความไม่สมดุลนี้ระหว่างสสารและปฏิสสารมักถูกเรียกว่า ความไม่สมดุลของแบเรียน ในจักรวาล และเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกระบวนการที่เรียกว่า การละเมิด CP และ baryogenesis

ในบทความนี้ เราจะสำรวจ:

ภาพรวมประวัติศาสตร์สั้น ๆ เกี่ยวกับการค้นพบปฏิอนุภาค
ธรรมชาติของความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสาร
สมมาตร CP (ประจุ-พาริตี) และการละเมิดสมมาตรนี้
เงื่อนไข Sakharov สำหรับ baryogenesis
กลไกที่เสนอสำหรับการสร้างความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสาร (เช่น baryogenesis ทางอิเล็กโทรวีก leptogenesis)
การทดลองที่กำลังดำเนินอยู่และทิศทางในอนาคต

เมื่อจบแล้ว คุณจะได้ภาพรวมว่าทำไมเราถึงเชื่อว่ามีสสารมากกว่าปฏิสสาร และความพยายามทางวิทยาศาสตร์ในการระบุกลไกที่แน่ชัดเบื้องหลังความไม่สมดุลนี้ในจักรวาล

1. บริบททางประวัติศาสตร์: การค้นพบปฏิอนุภาค

แนวคิดเรื่องปฏิอนุภาคถูกทำนายทางทฤษฎีครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Paul Dirac ในปี 1928 Dirac ได้สร้างสมการ (สมการ Dirac) ที่อธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ความเร็วสัมพัทธ์ สมการนี้เปิดทางให้มีคำตอบที่สอดคล้องกับอนุภาคที่มีพลังงานบวกและพลังงานลบ คำตอบของ “พลังงานลบ” ถูกตีความในภายหลังว่าเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอนแต่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม

การค้นพบโพซิตรอน (1932): ในปี 1932 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Carl Anderson ยืนยันการมีอยู่ของปฏิอนุภาคโดยการตรวจพบโพซิตรอน (ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน) ในเส้นทางรังสีคอสมิก
แอนติโปรตอนและแอนตินิวตรอน: แอนติโปรตอนถูกค้นพบในปี 1955 โดย Emilio Segrè และ Owen Chamberlain และแอนตินิวตรอนในปี 1956

การค้นพบเหล่านี้ยืนยันแนวคิดที่ว่า สำหรับอนุภาคแต่ละชนิดในแบบจำลองมาตรฐาน จะมีอนุภาคปฏิอนุภาคที่มีจำนวนควอนตัมตรงข้ามกัน (เช่น ประจุไฟฟ้า จำนวนแบเรียน) แต่มีมวลและสปินเท่ากัน

2. ลักษณะของความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสาร

2.1 การสร้างที่เท่าเทียมกันในเอกภพยุคแรก

ในช่วงบิ๊กแบง เอกภพร้อนและหนาแน่นอย่างมาก โดยมีพลังงานสูงพอที่จะสร้างคู่ของอนุภาคสสารและปฏิสสาร เราคาดว่าโดยเฉลี่ยแล้ว สำหรับอนุภาคสสารแต่ละตัวที่ถูกสร้างขึ้น จะมีปฏิอนุภาคที่เทียบเท่าถูกสร้างขึ้นด้วย เมื่อเอกภพขยายตัวและเย็นลง อนุภาคและปฏิอนุภาคเหล่านี้ควรจะทำลายล้างกันเกือบหมด เปลี่ยนมวลของพวกมันเป็นพลังงาน (โดยปกติเป็นโฟตอนแกมมาเรย์)

2.2 สสารที่เหลืออยู่

อย่างไรก็ตาม การสังเกตแสดงให้เห็นว่าเอกภพส่วนใหญ่ประกอบด้วยสสาร ความไม่สมดุลสุทธินั้นเล็กน้อย—แต่สำคัญอย่างยิ่ง สามารถวัดได้โดยดูที่อัตราส่วนความหนาแน่นของจำนวนบารีออน (คือ ความหนาแน่นของสสาร) ต่อความหนาแน่นของโฟตอนในเอกภพ ซึ่งมักจะแทนด้วย η = (n_B - n_̄B) / n_γ ข้อมูลจาก รังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาล (CMB)—ซึ่งวัดโดยภารกิจอย่าง COBE, WMAP และ Planck—ชี้ให้เห็นว่า:

η ≈ 6 × 10⁻¹⁰.

นี่หมายความว่าสำหรับโฟตอนประมาณพันล้านตัวที่เหลือจากบิ๊กแบง จะมีเพียงโปรตอน (หรือ นิวตรอน) ประมาณหนึ่งตัวเท่านั้น—แต่ที่สำคัญกว่านั้น บารีออนตัวเดียวนี้มีจำนวนมากกว่าปฏิ-บารีออนของมัน คำถามคือ: ความไม่สมดุลเล็กน้อยแต่สำคัญนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

3. สมมาตร CP และการละเมิดของมัน

3.1 สมมาตรในฟิสิกส์

ในฟิสิกส์อนุภาค สมมาตร C (การสลับประจุ) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงระหว่างอนุภาคและปฏิอนุภาคของมัน สมมาตร P (ความสมมาตรเชิงพื้นที่) หมายถึงการกลับด้านเชิงพื้นที่ (การสะท้อนพิกัดเชิงพื้นที่) หากกฎทางฟิสิกส์ยังคงเหมือนเดิมภายใต้การเปลี่ยนแปลง C และ P พร้อมกัน (คือ “ถ้ามันดูเหมือนเดิมเมื่ออนุภาคถูกสลับกับปฏิอนุภาคและซ้ายขวาถูกสลับกัน”) เราจะกล่าวว่ากฎนั้นปฏิบัติตาม สมมาตร CP

3.2 การค้นพบการละเมิด CP ในช่วงแรก

เดิมเชื่อกันว่าสมมาตร CP อาจเป็นสมมาตรพื้นฐานของธรรมชาติ โดยเฉพาะหลังจากที่ค้นพบการละเมิด P เพียงอย่างเดียวในช่วงกลางทศวรรษ 1950 อย่างไรก็ตาม ในปี 1964 James Cronin และ Val Fitch ค้นพบว่าการสลายตัวของคาออนนิวตรอน (K⁰) ไม่เป็นไปตามสมมาตร CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]) ผลลัพธ์ที่ก้าวล้ำนี้แสดงให้เห็นว่าแม้แต่ CP ก็สามารถถูกละเมิดในกระบวนการปฏิสัมพันธ์อ่อนบางอย่างได้

3.3 การละเมิด CP ในแบบจำลองมาตรฐาน

ภายในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค การละเมิด CP อาจเกิดจากเฟสในเมทริกซ์ Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงของควาร์กที่มี “รสชาติ” ต่างกันภายใต้แรงอ่อน ต่อมา ฟิสิกส์นิวตริโนได้แนะนำเมทริกซ์ผสมอีกตัวหนึ่ง—Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) สำหรับเลปตอน ซึ่งก็อาจมีเฟสที่ละเมิด CP ด้วย อย่างไรก็ตาม ขนาดของการละเมิด CP ที่สังเกตได้ในภาคส่วนเหล่านี้ดูเหมือนจะ เล็กเกินไป ที่จะอธิบายอสมมาตรแบเรียนของจักรวาลได้อย่างเต็มที่ ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นของแหล่งที่มาของการละเมิด CP เพิ่มเติมนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน

4. เงื่อนไขของ Sakharov สำหรับแบเรียโอเจเนซิส

ในปี 1967 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Andrei Sakharov ได้กำหนดสามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการสร้างอสมมาตรสสาร-ปฏิสสารในจักรวาลยุคแรก (Sakharov, 1967 [2]):

การละเมิดจำนวนแบเรียน: ต้องมีปฏิสัมพันธ์หรือกระบวนการที่เปลี่ยนจำนวนสุทธิของแบเรียน B หากจำนวนแบเรียนถูกอนุรักษ์อย่างเคร่งครัด จะไม่สามารถพัฒนาอสมมาตรระหว่างแบเรียนและปฏิแบเรียนได้
การละเมิด C และ CP: การเปลี่ยนแปลงที่แยกแยะระหว่างสสารและปฏิสสารเป็นสิ่งจำเป็น หาก C และ CP เป็นสมมาตรที่สมบูรณ์แบบ กระบวนการใดที่สร้างแบเรียนมากกว่าปฏิแบเรียนจะมีการกระบวนการกระจกที่สร้างปฏิแบเรียนจำนวนเท่ากันกับแบเรียน ทำให้ผลลัพธ์เป็นศูนย์
การเบี่ยงเบนจากสมดุลความร้อน: ในสมดุลความร้อน กระบวนการสร้างและทำลายอนุภาคดำเนินไปเท่าเทียมกันทั้งไปข้างหน้าและถอยหลัง รักษาสมดุลไว้ได้ สภาพแวดล้อมที่ไม่สมดุล เช่น จักรวาลที่ขยายตัวและเย็นลงอย่างรวดเร็ว ช่วยให้กระบวนการบางอย่าง “แช่แข็ง” อสมมาตรได้

ทฤษฎีหรือกลไกใดๆ ที่เป็นไปได้ของแบเรียโอเจเนซิสต้องตอบสนองเงื่อนไขสามประการนี้เพื่อสร้างความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสารที่สังเกตได้

5. กลไกที่เสนอสำหรับการสร้างอสมมาตรสสาร-ปฏิสสาร

5.1 อิเล็กโทรวีกแบเรียโอเจเนซิส

อิเล็กโทรวีกแบเรียโอเจเนซิส เสนอว่าอสมมาตรของแบเรียนถูกสร้างขึ้นรอบการเปลี่ยนเฟสอิเล็กโทรวีก (ประมาณ 10⁻¹¹ วินาทีหลังบิกแบง) ประเด็นสำคัญ:

สนามฮิกส์ ได้รับค่าคาดหวังสุญญากาศที่ไม่เป็นศูนย์ ทำให้เกิดการทำลายสมมาตรอิเล็กโทรวีกโดยอัตโนมัติ
กระบวนการที่ไม่สามารถวิเคราะห์แบบ perturbative เรียกว่า sphalerons สามารถละเมิดจำนวนแบเรียลบวกเลปตอน (B+L) ในขณะที่ยังคงรักษาจำนวนแบเรียลลบเลปตอน (B−L)
การเปลี่ยนเฟสอิเล็กโทรวีกที่ลำดับหนึ่ง (ซึ่งฟองของสุญญากาศแท้เกิดขึ้น) อาจสร้างความเบี่ยงเบนที่จำเป็นจากสมดุลความร้อน
ปฏิสัมพันธ์ที่ละเมิด CP ในภาคฮิกส์หรือผ่านการผสมควาร์กจะช่วยสร้างความไม่สมดุลสสารและปฏิสสารที่ผนังฟองสบู่

อย่างไรก็ตาม ในพารามิเตอร์ของแบบจำลองมาตรฐาน (โดยเฉพาะกับฮิกส์ที่ค้นพบที่ 125 GeV) เป็นไปได้ยากที่การเปลี่ยนเฟสอิเล็กโทรวีกจะเป็นแบบอันดับหนึ่ง และปริมาณการละเมิด CP จากเมทริกซ์ CKM ไม่เพียงพอ ดังนั้นนักทฤษฎีหลายคนจึงแนะนำฟิสิกส์ นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน เช่น สนามสเกลาร์เพิ่มเติม เพื่อทำให้แบรีโอเจเนซิสอิเล็กโทรวีกมีความเป็นไปได้มากขึ้น

5.2 แบรีโอเจเนซิสแบบ GUT

ทฤษฎีเอกภาพใหญ่ (GUTs) มีเป้าหมายที่จะรวมแรงเข้ม แรงอ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกันที่พลังงานสูงมาก (~10¹⁶ GeV) ในหลายโมเดล GUTs, โบซอนเกจหนักหรือโบซอนฮิกส์ สามารถเป็นสื่อกลางในการสลายโปรตอนหรือกระบวนการที่ละเมิดจำนวนแบรีออน หากกระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นนอกสมดุลความร้อนในจักรวาลยุคแรก พวกมันสามารถสร้างความไม่สมดุลแบรีออนได้ในหลักการ อย่างไรก็ตาม การละเมิด CP ภายในกรอบ GUT เหล่านี้ต้องมีขนาดใหญ่พอสมควร และอัตราการสลายโปรตอนที่ทำนายไว้ยังไม่ถูกสังเกตในระดับที่คาดไว้ ซึ่งจำกัดโมเดลแบรีโอเจเนซิส GUT ที่ง่ายกว่า

5.3 เลปโตเจเนซิส

ใน เลปโตเจเนซิส ความไม่สมดุลระหว่างเลปตอนและแอนติเซปตอนจะถูกสร้างขึ้นก่อน ความไม่สมดุลเลปตอนนี้จะถูกเปลี่ยนบางส่วนเป็นความไม่สมดุลแบรีออนผ่าน กระบวนการสเฟลารอน ในยุคอิเล็กโทรวีก ซึ่งสามารถเปลี่ยนเลปตอนเป็นแบรีออน กลไกที่นิยมคือ:

กลไกซีซอว์: แนะนำให้นิวตริโนขวาหนัก (หรือเลปตอนหนักอื่น ๆ)
นิวตริโนหนักเหล่านี้สามารถสลายตัวผ่านกระบวนการละเมิด CP สร้างความไม่สมดุลในภาคเลปตอน
การเปลี่ยนผ่านสเฟลารอนจะเปลี่ยนส่วนหนึ่งของความไม่สมดุลเลปตอนนี้เป็นความไม่สมดุลแบรีออน

เลปโตเจเนซิสเป็นแนวคิดที่น่าสนใจเพราะเชื่อมโยงการสร้างมวลนิวตริโน (ที่สังเกตได้จากการสลับนิวตริโน) กับความไม่สมดุลของสสารและปฏิสสารในจักรวาล นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงข้อจำกัดบางประการที่เป็นปัญหาในแบรีโอเจเนซิสแบบอิเล็กโทรวีก ทำให้เป็นตัวเลือกชั้นนำในหลายโมเดลฟิสิกส์ใหม่

6. การทดลองที่กำลังดำเนินอยู่และทิศทางในอนาคต

6.1 เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

การทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาคเช่น Large Hadron Collider (LHC)—โดยเฉพาะการทดลอง LHCb—มีความไวต่อผลกระทบการละเมิด CP ในการสลายตัวของเมซอน B, เมซอน D และฮาดรอนอื่น ๆ โดยการวัดระดับการละเมิด CP และเปรียบเทียบกับการทำนายของแบบจำลองมาตรฐาน นักฟิสิกส์หวังว่าจะพบความแตกต่างที่อาจชี้ไปยังฟิสิกส์ใหม่ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน

LHCb: เชี่ยวชาญในการวัดความแม่นยำของการสลายตัวที่หายากและการละเมิด CP ในภาคส่วน b-quark
Belle II (ที่ KEK ในญี่ปุ่น) และ BaBar ที่เสร็จสิ้นแล้ว (ที่ SLAC) ก็ได้สำรวจการละเมิด CP ในระบบ B-meson

6.2 การทดลองนิวตริโน

การทดลองการสลับสถานะนิวตริโนรุ่นถัดไป เช่น DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) ในสหรัฐอเมริกา และ Hyper-Kamiokande ในญี่ปุ่น มีเป้าหมายที่จะวัดเฟสการละเมิด CP ในเมทริกซ์ PMNS ของนิวตริโนด้วยความแม่นยำสูง หากนิวตริโนแสดงผลการละเมิด CP ขนาดใหญ่ นั่นอาจสนับสนุนกรณีของ leptogenesis เป็นทางแก้ปัญหาความไม่สมดุลระหว่างสสารกับสสารปฏิรูป

6.3 การค้นหาการสลายตัวของโปรตอน

ถ้าสถานการณ์ GUT baryogenesis ถูกต้อง การสลายตัวของโปรตอนอาจเป็นเบาะแส การทดลองเช่น Super-Kamiokande (และในอนาคต Hyper-Kamiokande) กำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอายุขัยของโปรตอนสำหรับช่องทางการสลายตัวต่างๆ การค้นพบการสลายตัวของโปรตอนจะเป็นเหตุการณ์สำคัญที่ให้เบาะแสแข็งแกร่งเกี่ยวกับการละเมิดจำนวน baryon ที่พลังงานสูง

6.4 การค้นหา Axion

แม้จะไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับ baryogenesis ในความหมายมาตรฐาน axions (อนุภาคสมมุติที่เกี่ยวข้องกับปัญหา strong CP) อาจมีบทบาทในประวัติศาสตร์ความร้อนของจักรวาลยุคแรกและความเป็นไปได้ของความไม่สมดุลระหว่างสสารกับสสารปฏิรูป การค้นหา axion จึงยังคงเป็นส่วนสำคัญของปริศนา

บทสรุป

ความเหนือกว่าของสสารในจักรวาลเหนือกว่าสสารปฏิรูปยังคงเป็นหนึ่งในคำถามสำคัญที่เปิดอยู่ในฟิสิกส์ แบบจำลองมาตรฐานให้กรอบสำหรับการละเมิด CP บางส่วน แต่ไม่เพียงพอที่จะอธิบายความไม่สมดุลที่สังเกตได้ ความแตกต่างนี้บ่งชี้ถึงความจำเป็นสำหรับ ฟิสิกส์ใหม่—ไม่ว่าจะที่พลังงานสูงกว่า (เช่น ระดับ GUT) หรือผ่านอนุภาคและปฏิสัมพันธ์เพิ่มเติมที่เรายังไม่ค้นพบ

ในขณะที่ electroweak baryogenesis, GUT baryogenesis และ leptogenesis เป็นกลไกที่เป็นไปได้ทั้งหมด แต่ยังต้องการงานทดลองและทฤษฎีเพิ่มเติมอีกมาก การทดลองความแม่นยำสูงที่กำลังดำเนินอยู่ในฟิสิกส์ชนิด collider, การสลับสถานะนิวตริโน และการค้นหาการสลายตัวที่หายาก—ควบคู่กับการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์—ยังคงทดสอบทฤษฎีเหล่านี้ คำตอบว่าทำไมสสารจึงมีมากกว่าสสารปฏิรูปสัญญาว่าจะไม่เพียงแต่ลึกซึ้งความเข้าใจของเราต่อจุดกำเนิดของจักรวาลเท่านั้น แต่ยังอาจเปิดเผยแง่มุมใหม่พื้นฐานของความเป็นจริง

แหล่งข้อมูลแนะนำและการอ่านเพิ่มเติม

Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “หลักฐานสำหรับการสลายตัว 2π ของเมซอน K₂⁰.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [ลิงก์]
Sakharov, A. D. (1967). “การละเมิดความสมมาตร CP, ความไม่สมมาตร C และความไม่สมดุลของบาเรียในจักรวาล.” JETP Letters, 5, 24–27
Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – แหล่งข้อมูลและบทวิจารณ์ที่ครอบคลุมเกี่ยวกับคุณสมบัติของอนุภาค, การละเมิด CP และฟิสิกส์นอกแบบจำลองมาตรฐาน
Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “ความก้าวหน้าล่าสุดในบาเรียเจเนซิส.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “ต้นกำเนิดของความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสาร.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley – หนังสือคลาสสิกเกี่ยวกับกระบวนการจักรวาลวิทยา รวมถึงบาเรียเจเนซิส
Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ – ครอบคลุมเรื่องการพองตัว, การสังเคราะห์นิวเคลียส และการเกิดบาเรียเจเนซิสอย่างละเอียด

ผลงานเหล่านี้รวมกันให้พื้นฐานทางทฤษฎีและการทดลองที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับการละเมิด CP, การละเมิดจำนวนบาเรีย และกลไกที่เป็นไปได้สำหรับความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสารในจักรวาล เมื่อข้อมูลการทดลองใหม่เข้ามา เราก็เข้าใกล้คำตอบของคำถามพื้นฐานที่สุดเกี่ยวกับจักรวาลของเรามากขึ้น: ทำไมจึงมีบางสิ่งแทนที่จะไม่มีอะไรเลย?

← บทความก่อนหน้า บทความถัดไป →

กลับไปด้านบน

กลับไปยังบล็อก

ประเทศ/ภูมิภาค

ภาษา