“น้องชาย” ของฮิกส์โบซอนจะอธิบายธรรมชาติของสสารมืด: การทดลอง “ครัว” จะเปลี่ยนวิทยาศาสตร์อย่างไร

ในขณะที่การค้นพบอนุภาคมูลฐานต้องใช้พลังในการเร่งอนุภาคมหาศาลของบอลชอย

เครื่องชนแฮดรอน (LHC) ซึ่งเป็นฮิกส์โบซอนในแนวแกนถูกค้นพบโดยใช้การทดลองที่สามารถวางบนเคาน์เตอร์ครัวขนาดเล็กได้

ฮิกส์โบซอนตามแนวแกนคืออะไร?

แกนฮิกส์โบซอนแตกต่างจากปกติฮิกส์ โบซอน ซึ่งถูกค้นพบโดยเครื่องตรวจจับ ATLAS และ CMS ที่ LHC เมื่อ 10 ปีที่แล้ว ในปี 2555 มันมีโมเมนต์แม่เหล็ก แรงแม่เหล็ก หรือการปฐมนิเทศที่สร้างสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงต้องใช้ทฤษฎีที่ซับซ้อนกว่าในการอธิบายมากกว่าลูกพี่ลูกน้องที่ไม่ใช่แม่เหล็ก

แม้ว่าอนุภาคทั้งสองจะได้รับการพิจารณาก็ตามญาติพี่น้องโดยธรรมชาติของพวกเขาจะแตกต่างกัน แม้ว่าฮิกส์โบซอนมีหน้าที่ให้อนุภาคอื่นมีมวล แต่แม่เหล็กลูกพี่ลูกน้องของมันก็ถือเป็นตัวเลือกสำหรับสสารมืด ให้เราจำไว้ว่ามันคิดเป็น 85% ของมวลรวมของจักรวาล แต่มันปรากฏตัวผ่านแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

โบซอนที่แตกต่างกันปรากฏอย่างไร?

ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ อนุภาคมาจากสาขาต่างๆ ที่แผ่ซ่านไปทั่วจักรวาล และบางส่วนเหล่านี้สร้างกองกำลังพื้นฐานของมัน ตัวอย่างเช่น โฟตอนเป็นตัวกลางแม่เหล็กไฟฟ้า และอนุภาคขนาดใหญ่ที่เรียกว่าโบซอน W และ Z จะเป็นสื่อกลางกับแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนที่ควบคุมการสลายตัวของนิวเคลียร์ที่ระดับอะตอม อย่างไรก็ตาม เมื่อเอกภพยังอายุน้อย แม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนเป็นหนึ่งเดียวกัน และอนุภาคเหล่านี้เกือบจะเหมือนกันทั้งหมด เมื่อมันเย็นตัวลง แรงอิเล็กโตรวีกก็แยกออก ทำให้โบซอน W และ Z ได้รับมวลและมีพฤติกรรมแตกต่างจากโฟตอนค่อนข้างมาก นักฟิสิกส์เรียกกระบวนการนี้ว่า การทำลายสมมาตร แต่อนุภาคตัวกลางที่อ่อนแอเหล่านี้กลับมีน้ำหนักมากได้อย่างไร

ปรากฎว่าอนุภาคเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับสนามแยกที่เรียกว่าสนามฮิกส์ การรบกวนในด้านนี้ทำให้เกิด Higgs boson และทำให้น้ำหนักของ W และ Z bosons

ฮิกส์โบซอนจะเกิดขึ้นในธรรมชาติเมื่อไรก็ตามเมื่อสมมาตรนี้เสีย “อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปสมมาตรเพียงครั้งเดียวจะถูกทำลาย ดังนั้น Higgs boson จึงสามารถอธิบายได้ด้วยพลังงานของมัน” เบิร์ชกล่าว

ทฤษฎีของฮิกส์โบซอนในแนวแกนนั้นซับซ้อนกว่าในกรณีของฮิกส์โบซอนในแนวแกน ความสมมาตรหลายอย่างถูกทำลาย นำไปสู่รูปแบบใหม่ของทฤษฎีและระบอบการปกครองของฮิกส์—ความผันผวนพิเศษในสนามควอนตัมที่คล้ายกับสนามฮิกส์ เพื่ออธิบายสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีพารามิเตอร์หลายอย่าง โดยเฉพาะพลังงานและโมเมนตัมแม่เหล็ก

โบซอนตัวใหม่ถูกค้นพบได้อย่างไร?

ฮิกส์โบซอนดั้งเดิมไม่เกี่ยวข้องโดยตรงแสงซึ่งหมายความว่ามันปรากฏขึ้นเนื่องจากการชนกับอนุภาคอื่น ในทางกลับกัน แกนโบซอนเกิดขึ้นเมื่อวัสดุควอนตัมที่อุณหภูมิห้องเลียนแบบชุดการสั่นสะเทือนเฉพาะที่เรียกว่าโหมด axis Higgs จากนั้นนักวิจัยจึงใช้การกระเจิงของแสงเพื่อสังเกตอนุภาค

เป็นที่น่าสังเกตว่านักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบโบซอนในแนวแกนฮิกส์ใช้การทดลองออปติคัลเดสก์ท็อปซึ่งดำเนินการบนโต๊ะขนาดประมาณ 1x1 เมตร พวกเขาใช้แรร์เอิร์ทไตรเทลลูไรด์ (RTe₃) เป็นวัสดุควอนตัมที่มีโครงสร้างผลึกสองมิติ อิเล็กตรอนใน RTa₃ จัดระเบียบตัวเองเป็นคลื่นซึ่งความหนาแน่นของประจุเพิ่มขึ้นหรือลดลงเป็นระยะ ขนาดของคลื่นความหนาแน่นของประจุเหล่านี้ ซึ่งเกิดขึ้นเหนืออุณหภูมิห้อง สามารถปรับได้เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้เกิดโหมด Higgs ตามแนวแกน

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ ฮิกส์โบซอนตามแนวแกนเกิดขึ้นเมื่อจำลองชุดคลื่นในสารควอนตัมที่อุณหภูมิห้อง นักวิทยาศาสตร์จึงใช้การกระเจิงของแสงเพื่อสังเกตอนุภาคนี้

ในขั้นต้น นักฟิสิกส์เพียงแค่ตรวจสอบนักวิทยาศาสตร์กล่าวในบทความของวารสาร Nature ว่าคุณสมบัติในการกระเจิงของแสงของไทรเทลลูไรด์จากธาตุหายากและฮิกส์โบซอนในแนวแกนถูกค้นพบโดยบังเอิญ อย่างไรก็ตาม จากนั้นพวกเขาก็ค้นพบการเปลี่ยนแปลงที่ผิดปกติซึ่งบอกเป็นนัยถึงการมีอยู่ของสิ่งใหม่

การทดลองใหม่นี้จะนำไปสู่อะไร?

นักฟิสิกส์ได้ทำนายไว้แล้วว่าญาติเช่นนั้นฮิกส์โบซอนอาจมีอยู่จริง แต่ถูกค้นพบเป็นครั้งแรก ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าลักษณะที่ปรากฏสอดคล้องกับฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานสมัยใหม่ ในกรณีนี้ อนุภาคใหม่สามารถอธิบายการมีอยู่ของสสารมืดได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องการทฤษฎีใหม่ที่จะสอดคล้องกับการทดลองอนุภาคที่มีอยู่ อาจเป็นไปได้ว่าการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ของวิทยาลัยบอสตันจะเปลี่ยนวิทยาศาสตร์ที่เรารู้จัก

อ่านเพิ่มเติม

เครื่องจำลองควอนตัมแสดงการแบ่งอิเล็กตรอนออกเป็นส่วน ๆ ในอวกาศหนึ่งมิติ

นักฟิสิกส์ได้สร้างเลเซอร์อะตอมที่สามารถทำงานได้ตลอดไป

พบดาวเคราะห์สองดวงไม่ไกลจากโลกซึ่งคล้ายกับของเรามาก