เมื่อช่วงสัปดาห์ที่ผ่านมา นักวิจัยจาก CERN ได้เริ่มต้นการทดลองขนย้ายปฏิสสารทางถนนด้วยรถพ่วงบรรทุก นับว่าเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์โลกที่มีการขนย้ายปฏิสสารออกจากแหล่งผลิตและเดินทางเป็นระยะทางไกล ความสำเร็จในครั้งนี้อาจเป็นกุญแจสำคัญที่จะนำมนุษยชาติไปสู่การไขปริศนาแห่งการกำเนิดจักรวาล

ในทางฟิสิกส์ ปฏิสสาร (antimatter) เปรียบเสมือนภาพสะท้อนกระจกของสสาร (matter) ปกติที่เราคุ้นเคย อิเล็กตรอนกลับมีประจุเป็นบวก ส่วนโปรตอนมีประจุลบ ด้วยคุณสมบัติที่เหมือนขั้วตรงข้ามกันนี้ทำให้เมื่ออะตอมของปฏิสสารสัมผัสกัน จะก่อให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานที่อยู่ภายในออกมาจนหมดสิ้น

ภาพถ่ายระหว่างทำการขนย้าย BASE ภายใน CERN ภาพจาก CERN

ตามทฤษฎีบิกแบง สสารและปฏิสสารในเอกภพควรจะมีจำนวนที่เท่า ๆ กัน ซึ่งนั่นหมายความว่าสสารทั้งสองชนิดควรจะเข้าทำลายล้างกันเองจนหมดสิ้น ทว่าในความเป็นจริง เอกภพที่เราอยู่นั้นกลับเต็มไปด้วยสสาร ในขณะที่ปฏิสสารปรากฏในธรรมชาติเพียงหยิบมือเดียวจากกระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีและการชนกันของรังสีคอสมิก ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักในนาม ความไม่สมมาตรของสสารและปฏิสสาร (matter-antimatter asymmetry) ซึ่งเป็นหนึ่งในความขัดแย้งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ยุคปัจจุบัน การศึกษาปฏิสสารโดยละเอียดจึงเป็นหนทางเดียวที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของความไม่สมมาตรนี้ได้

การศึกษาปฏิสสารย่อมต้องใช้ปฏิสสารในการศึกษา และปัจจุบันเราสามารถผลิตปฏิสสารภายในห้องทดลองของ CERN ได้แล้ว แต่ปัญหาคือการจัดเก็บปฏิสสาร เพราะหากมันสัมผัสกับโมเลกุลของอะตอมปกติแค่หนึ่งอะตอม มันจะปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมาและสลายไปในพริบตา ทีมนักวิจัยจาก CERN จึงต้องพัฒนาระบบเพื่อใช้ในการจัดเก็บไว้ในกับดักเพนนิง (Penning trap) ซึ่งเป็นการกักขังปฏิสสารให้อยู่พื้นที่ที่เป็นสุญญากาศโดยสมบูรณ์และป้องกันการสัมผัสกับพื้นผิวของที่จัดเก็บโดยการใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กทำงานร่วมกันเพื่อพยุงอนุภาคปฏิสสารให้ลอยอยู่กึ่งกลางห้องสุญญากาศ

ถึงเราจะมีระบบผลิตและจัดเก็บปฏิสสารได้อย่างเป็นระบบ แต่ถึงอย่างนั้นมันก็ยังมีข้อจำกัดในการศึกษาอยู่ดี เพราะเราไม่สามารถเคลื่อนย้ายปฏิสสารไปยังสถาบันการศึกษาภายนอก CERN ได้เลย จึงเกิดโครงการ BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) ขึ้นมาเพื่อเป็นการทดลองขนส่งปฏิสสารออกนอกสถานที่เป็นครั้งแรก ทีมนักวิจัยได้ออกแบบอุปกรณ์กักเก็บพิเศษน้ำหนักกว่า 800 กิโลกรัม สำหรับบรรจุในตู้คอนเทนเนอร์เพื่อขนย้ายไปไปพร้อมกับรถพ่วง อุปกรณ์นี้ใช้สนามแม่เหล็กดักจับแอนติโปรตอน (antiprotons) จำนวน 92 อนุภาค ให้อยู่กึ่งกลางสภาวะสุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ ทางนักวิจัยให้ข้อมูลเพิ่มเติมว่าห้องสุญญากาศในโครงการนี้เป็นห้องสุญญากาศที่มีอะตอมเบาบางที่สุดเท่าที่เป็นไปได้แล้ว มีค่าเฉลี่ยของอะตอมภายในห้องนั้นน้อยกว่าพื้นที่ระหว่างดวงดาว (interstellar medium) ในอวกาศเสียอีก และหากพูดกันตามตรง นี่คือสุญญากาศที่ดีที่สุดบนพื้นโลก ณ เวลานี้

ทีมนักวิจัยทดลองเคลื่อนย้ายปฏิสสารเป็นระยะทางกว่า 10 กิโลเมตร ภายในพื้นที่ของ CERN ใกล้กรุงเจนีวา ใช้เวลาเดินทางประมาณ 30 นาที และทำความเร็วสูงสุดที่ 47 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ตลอดการเดินทาง อนุภาคปฏิสสารทั้ง 92 ตัวยังคงสภาพสมบูรณ์และไม่โดนรบกวนจากแรงสั่นสะเทือนของยานพาหนะ

ภาพถ่ายรถพ่วงบรรทุกอุปกรณ์ BASE ที่บรรจุปฏิสสารอยู่ภายใน ภาพจาก CERN

ทำไมเราจึงต้องย้ายปฏิสสาร?

แม้ CERN จะเป็นสถานที่เพียงแห่งเดียวในโลกที่สามารถผลิตปฏิสสารในปริมาณที่มากพอสำหรับการวิจัยได้ แต่สภาพแวดล้อมภายในโรงงานผลิตนั้นเต็มไปด้วยความผันผวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการวัดค่าที่ต้องการความแม่นยำสูงระดับควอนตัม นักวิจัยเปรียบเทียบว่าเหมือนกับการมองวัตถุผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่สั่นไปมาอยู่ตลอดเวลา ภาพจึงเบลอและมองไม่ชัด การขนส่งอนุภาคออกจากสภาพแวดล้อมที่วุ่นวายนี้ จะช่วยให้การศึกษาง่ายขึ้นและวัดค่าต่าง ๆ ชัดเจนมากยิ่งขึ้น

เพราะเป้าหมายสูงสุดของนักวิทยาศาสตร์คือการทำความเข้าใจปฏิสสารในสภาพแวดล้อมที่ถูกรบกวนน้อยที่สุด การเคลื่อนย้ายสถานที่ในการศึกษาจากโรงงานที่วุ่นวายไปยังสถานที่เงียบสงบ อาจจะทำให้การตรวจวัดทางควอนตัมของปฏิสสารเปลี่ยนไปจากที่เราคาดการณ์ไว้ ซึ่งความแตกต่างทางควอนตัมเพียงเล็กน้อยนี้อาจจะเป็นจุดเปลี่ยนของหน้าประวัติศาสตร์ฟิสิกส์เลยก็ได้

การขนส่งปฏิสสาร ภายใน BASE ต้องรักษาอุณหภูมิมิให้สูงกว่า -268 องศาเซลเซียสเพื่อรักษาเสถียรภาพของปฏิสสารที่อยู่ภายใน ภาพจาก CERN

การทดสอบนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าปฏิสสารสามารถขนส่งได้อย่างปลอดภัย ก้าวต่อไปของ CERN คือการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อรองรับการขนส่งแอนติโปรตอนในจำนวนที่มากขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น มีการตั้งเป้าหมายไปยังศูนย์วิจัยในเยอรมนีซึ่งอยู่ห่างออกไปกว่า 700 กิโลเมตร

ความสำเร็จในครั้งนี้จึงไม่ใช่การขนย้ายปฏิสสารในระยะทางสั้น ๆ แต่หมายถึงจุดเริ่มต้นของการศึกษาปฏิสสารที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก สามารถเข้าถึงปฏิอนุภาคได้โดยไม่จำเป็นต้องมีเครื่องเร่งอนุภาคเป็นของตนเอง ซึ่งการขยายขอบเขตการศึกษานี้ จะมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าทั้งในด้านฟิสิกส์พื้นฐาน การประยุกต์ใช้ในวัสดุศาสตร์ ไปจนถึงเทคโนโลยีการวินิจฉัยทางการแพทย์ในอนาคต

ที่มาข้อมูล : nature

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

CERN ทำการขนส่ง “ปฏิสสาร” ทางถนนเป็นครั้งแรก