Broken Symmetry

1 ์ ี 2008 ิ สป รางว ัลโนเบลสาขาฟิ สก

จากเอกสารเผยแพร่สําหรับสาธารณชนบนเว็บไซต์ทางการกองทุนโนเบล (http://nobelprize.org) แปลโดย ศล ั สิง่ ? เหตุใดจึงมีอนุภาคมูลฐานแตกต่างกันมากมาย? ปี นผ เหตุใดจึงมีบางสิง่ แทนทีจ ่ ะไม่มส ี ก ี้ ู ้ได ้รับรางวัล ิ ส์ได ้นํ าเสนอความเข ้าใจอันลึกซึง้ เชิงทฤษฎีซงึ่ นํ าเราสูค ่ วามเข ้าใจระดับลึกยิง่ กว่าของสิง่ ที่ โนเบลสาขาฟิ สก เกิดขึน ้ ดิง่ ลงภายในแบบก่อสร ้างทีเ่ ล็กทีส ่ ด ุ ของสสาร

่ นเร้นของธรรมชาติ การเผยโฉมความสมมาตรทีซ ่ อ กฎความสมมาตรของธรรมชาติเป็ นสิง่ ทีอ ่ ยูต ่ รงตําแหน่งหัวใจของเรือ ่ งนี้ หรือหากจะพูดให ้ถูกคือความสมมาตร ทีพ ่ ังทลาย (broken symmetries) ทัง้ คู่ หนึง่ นัน ้ คือสิง่ ดูเหมือนจะดํารงอยูใ่ นเอกภพเราจากช่วงต ้น ๆ และอีก หนึง่ นัน ้ ได ้สูญเสียความสมมาตรดัง้ เดิมของพวกมันไปตามธรรมชาติ ณ ทีใ่ ดทีห ่ นึง่ บนเส ้นทางเดิน ว่ากันตามจริง เราคือบรรดาลูกหลานของความสมมาตรทีพ ่ ังทลาย มันจะต ้องเกิดขึน ้ อย่างทันทีทันใดหลังจาก บิกแบงเมือ ่ ประมาณ 14 พันล ้านปี กอ ่ น ตอนทีป ่ ฏิสสารและสสารถูกสร ้างด ้วยจํานวนทีเ่ ท่า ๆ กัน การพบปะกัน ้ คือการแผ่รังสี ระหว่างทัง้ สองคือหายนะของทัง้ คู่ พวกมันจะสลายกันและกัน และสิง่ ทีเ่ หลือหลังจากนัน ั อย่างไรก็ตาม เป็ นทีเ่ ห็นได ้ชัดว่าสสารมีชยชนะเหนือปฏิสสาร ไม่อย่างนัน ้ เราคงจะอยูท ่ น ี่ ไี่ ม่ได ้ แต่เราอยูท ่ น ี่ ี่ ู ะเพียงพอ เพียง แล ้ว และนั่นย่อมหมายความว่าเพียงส่วนเบีย ่ งเบนเล็ก ๆ จากความสมมาตรทีส ่ มบูรณ์แบบก็ดจ มีอนุภาคสสารหนึง่ ตัวทีม ่ ากกว่าอนุภาคปฏิสสารทุก ๆ สิบพันล ้านตัวก็เพียงพอทีจ ่ ะทําให ้โลกเราอยูไ่ ด ้ สสาร ส่วนเกินเหล่านีเ้ ป็ นเมล็ดพันธุข ์ องเอกภพเราทัง้ เอกภพ ซึง่ แต่งแต ้มเอกภพด ้วยกาแล็กซี ดาวฤกษ์ และดาว ่ ด ุ ชีวต ิ แต่อะไรคือสิง่ ทีอ ่ ยูเ่ บือ ้ งหลังการฝ่ าฝื นความสมมาตรในจักรวาลยังคงเป็ น เคราะห์ และในท ้ายทีส ปริศนาหลักและเป็ นสาขางานวิจัยทีอ ่ ยูใ่ นความสนใจ

ความสมมาตรทีพ ่ ังทลายซึง่ ไม่อาจอธิบายได้ตอนกําเนิดเอกภพ ในบิกแบง ถ ้า จํานวนของสสารและปฏิสสารถูกสร ้างขึน ้ มาเท่า ๆ กัน พวกมันจะสลายกันและกัน แต่ ส่วนเกินเพียงเล็กน ้อยของอนุภาคสสารต่อทุก ๆ สิบล ้านปฏิสสารก็เพียงพอทีจ่ ะทําให ้ ั เหนือปฏิสสาร สสารส่วนเกินนีเ้ องทีไ่ ด ้เติมจักรวาลด ้วยกาแล็กซี ดาวฤกษ์ ดาว สสารมีชย เคราะห์ และชีวต ิ ในท ้ายทีส ่ ด ุ

2 ผ่านทางกระจกเงา ิ ส์ได ้ตัง้ เป้ าสูก ่ ารค ้นหากฎธรรมชาติทห เป็ นเวลาหลายปี มาแล ้วทีฟ ่ ิ สก ี่ ลบซ่อนลึกอยูภ ่ ายใต ้ปรากฏการณ์ หลากหลายทีเ่ รามองเห็นรอบตัว กฎธรรมชาติควรจะสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบและแท ้จริง มันควรจะมีเหตุผล โดยตลอดทั่วทัง้ เอกภพ หนทางนีด ้ จ ู ะเป็ นจริงสําหรับเหตุการณ์สว่ นใหญ่ แต่ก็ไม่เสมอไป จึงเป็ นเหตุวา่ ทําไม ิ ส์พอ ๆ กับเรือ ความสมมาตรทีพ ่ ังทลายจึงกลายมาเป็ นหัวข ้อวิจัยทางฟิ สก ่ งความสมมาตรโดยตัวของมันเอง ซึง่ ไม่คอ ่ ยน่าสนใจเมือ ่ พิจารณาโลกอันไม่สมดุลของเรา ทีท ่ ค ี่ วามสมมาตรแบบสมบูรณ์เป็ นความคิดทีไ่ ม่ปกติ ความสมมาตรและความสมมาตรทีพ ่ ังทลายหลายชนิดเป็ นส่วน ิ ประจําวันของเรา ตัวอักษร A ไม่เปลีย ่ นแปลงเมือ ่ หนึง่ ของชีวต มองมันทีเ่ งาสะท ้อนในกระจก ในขณะทีต ่ วั อักษร Z ทําลาย ความสมมาตรอันนี้ ในอีกมุมหนึง่ ตัวอักษร Z จะดูเหมือนเดิมถ ้า คุณจับมันตีลงั กา แต่ถ ้าคุณทําแบบเดียวกันกับตัวอักษร A ความสมมาตรจะพังทลาย

ความสมมาตรสะท้อน รูปทางด ้านขวา แสดงให ้เห็นการพังทลาย ส่วนรูปด ้านซ ้าย คงความสมมาตรไว ้ ในกรณีนม ี้ ันเป็ นไป ไม่ได ้ทีค ่ ณ ุ จะตัดสินใจว่าคุณอยูใ่ นโลกของ คุณหรืออยูใ่ นโลกของกระจกกันแน่

ื้ ฐานของอนุภาคมูลฐานอธิบายหลักสมมาตรที่ ทฤษฎีพน แตกต่างกัน 3 แบบ: ความสมมาตรกระจกเงา (mirror symmetry) ความสมมาตรประจุ (charge symmetry) และ ิ ส์ เรียก ความสมมาตรเวลา (time symmetry) (ในภาษาฟิ สก ความสมมาตรกระจกเงาว่า P มาจากคําว่า parity, เรียก C สําหรับสมมาตรประจุ และ T สําหรับสมมาตรเวลา)

ในความสมมาตรกระจกเงา ทุกเหตุการณ์ควรจะเกิดขึน ้ เหมือนเดิมไม่วา่ พวกมันจะถูกมองโดยตรงหรือมองในกระจก มันควรจะไม่มค ี วามแตกต่างระหว่างซ ้ายกับขวา และควรจะไม่ มีใครสามารถตัดสินได ้ว่าเหตุการณ์นัน ้ อยูใ่ นโลกของพวกมัน หรืออยูใ่ นโลกของกระจกเงา ความสมมาตรประจุบอกว่าอนุภาคควรจะประพฤติเหมือนกับคูต ่ วั ตนของมัน หรือ ปฏิอนุภาคซึง่ มีคณ ุ สมบัตเิ หมือนกันทุกประการ ยกเว ้นเพียงประจุตรงกันข ้าม และตามความสมมาตรเวลา เหตุการณ์ทางกายภาพในระดับเล็กจิว๋ ควรจะมีความอิสระอย่างเท่าเทียมกันระหว่างเหตุการณ์ทางกายภาพนัน ้ เกิดขึน ้ ไปข ้างหน ้าหรือย ้อนกลับในเวลา ิ ส์ มันช่วยทําการคํานวณทีด ความสมมาตรใช่มเี พียงคุณค่าด ้านความงามในฟิ สก ่ น ู ่าเกลียดให ้ง่ายดายขึน ้ และ ่ ําคัญยิง่ ไป เล่นบททีเ่ ด็ดขาดสําหรับการพรรณนาเชิงคณิตศาสตร์ของโลกในระดับเล็กจิว๋ และข ้อเท็จจริงทีส กว่านัน ้ คือ ความสมมาตรเหล่านีเ้ กีย ่ วพันกฎอนุรักษ์จํานวนมากทีร่ ะดับอนุภาค เช่น มีกฎหนึง่ บอกว่าพลังงาน ไม่สามารถสูญหายไปได ้ในการชนกันระหว่างอนุภาคมูลฐาน มันจะต ้องคงค่าเดิมก่อนหน ้าและหลังการชน ซึง่ เป็ นทีป ่ ระจักษ์ในความสมมาตรของสมการทีบ ่ รรยายการชนกันของอนุภาค หรือมันมีกฎทีว่ า่ ด ้วยการอนุรักษ์ ประจุไฟฟ้ าซึง่ สัมพันธ์กบ ั ความสมมาตรในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ า

ั ้ รูปแบบปรากฏออกมาชดเจนยิ ง่ ขึน ประมาณกลางศตวรรษที่ 20 ทีเ่ ริม ่ มีการศึกษาความสมมาตรทีพ ่ ังทลายในหลักเบือ ้ งต ้นของสสาร ณ ช่วงเวลา ิ ส์ได ้กระโดดลงสูส ่ นามเพือ ดังกล่าว ฟิ สก ่ ความสําเร็จตามความฝั นอันยิง่ ใหญ่ของมัน ทีจ ่ ะรวมแบบก่อสร ้าง ่ ต ้น (building block) ทีเ่ ล็กทีส ่ ด ุ ของธรรมชาติทงั ้ หมดกับแรงทัง้ หมดเข ้าด ้วยกันเป็ นหนึง่ ทฤษฎีรวม แต่ก็เริม ิ ส์อนุภาคยิง่ ซับซ ้อนและซับซ ้อนยิง่ ขึน ได ้ด ้วยเพียงฟิ สก ้ ทุกที เครือ ่ งเร่งอนุภาคทีถ ่ ก ู สร ้างหลังสงครามโลกครัง้ ทีส ่ องผลิตอนุภาคจํานวนมากทีเ่ ราไม่เคยเห็นมาก่อนออกมาเรือ ่ ย ๆ อนุภาคส่วนใหญ่ไม่ลงตัวกับแบบจําลองที่ ิ ส์มใี นขณะนัน ้ ซึง่ สสารประกอบไปด ้วยอะตอมทีม ่ น ี วิ ตรอนกับโปรตอนอยูใ่ นนิวเคลียสและมีอเิ ล็กตรอน นักฟิ สก วิง่ อยูโ่ ดยรอบ การสํารวจลึกลงไปในอาณาจักรภายในของสสารเผยให ้เห็นว่าโปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัว ซุกซ่อนกลุม ่ ควาร์กสามตัว อนุภาคทีเ่ คยค ้นพบต่างก็ประกอบด ้วยควาร์ก

ภายในสสาร อิเล็กตรอนและควาร์ก เป็ นแบบก่อสร ้างทีเ่ ล็ก ทีส ่ ด ุ ของสสารทัง้ หมด

3

่ รงพืน แบบจําลองมาตรฐานในปัจจุบ ัน ได ้รวมแบบก่อสร ้างมูลฐานทัง้ หมดของสสารและสามในสีแ ้ ฐานเข ้าด ้วยกัน ั ้ มาก ๆ เพือ ในขณะทีส ่ สารทีร่ ู ้จักทัง้ หมดถูกสร ้างจากอนุภาคตระกูลแรก ส่วนอนุภาคอืน ่ ๆ ดํารงอยูใ่ นช่วงเวลาทีส ่ น ่ ทีจ่ ะให ้ ่ งเร่ง LHC ที่ แบบจําลองสมบูรณ์ เราต ้องการอนุภาคตัวใหม่ คืออนุภาคฮิกส์ ซึง่ ชุมชนชาวฟิ สกิ ส์หวังว่าจะพบมันจากเครือ สร ้างใหม่ท ี่ CERN ในเจนีวา

้ ส่วนปริศนาส่วนใหญ่เข ้าทีเ่ ข ้าทาง แบบจําลองมาตรฐานสําหรับส่วนทีแ ปั จจุบน ั ชิน ่ บ่งแยกไม่ได ้ของสสาร ประกอบด ้วยอนุภาคสามตระกูล (ดูแผนภาพ) ทัง้ สามตระกูลนีค ้ ล ้ายคลึงกัน แต่เฉพาะอนุภาคในตระกูลแรก ้ ได ้ภายใต ้เงือ ่ นไขที่ และตระกูลทีเ่ บาทีส ่ ด ุ เท่านัน ้ ทีเ่ สถียรพอจะสร ้างจักรวาล อนุภาคในสองตระกูลหนักเกิดขึน ไม่สมดุลอย่างยิง่ และสลายทันทีสอ ู่ นุภาคชนิดทีเ่ บากว่า ่ รงพืน สรรพสิง่ ถูกควบคุมโดยแรง แบบจําลองมาตรฐาน อย่างน ้อยก็ในเวลานี้ ได ้รวมสามจากสีแ ้ ฐานของ ธรรมชาติไว ้ด ้วยตัวส่งของ (messenger) ของพวกมัน ซึง่ ขนส่งอันตรกิรย ิ าระหว่างอนุภาคมูลฐาน (ดู แผนภาพ) ตัวส่งของของแรงแม่เหล็กไฟฟ้ าคือโฟตอนมีมวลเท่ากับศูนย์ แรงชนิดอ่อนซึง่ เกีย ่ วข ้องกับการ ่ งสว่างถูกนํ าพาโดยอนุภาค W หนัก และ Z โบ สลายตัวแผ่รังสี และเป็ นสาเหตุให ้ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์สอ ซอน ในขณะทีแ ่ รงชนิดเข ้มถูกนํ าพาโดยอนุภาคกลูออนซึง่ พบได ้ในการจับกันของนิวเคลียสในอะตอม แรง โน ้มถ่วง แรงทีส ่ ี่ เป็ นแรงทีท ่ ําให ้เรามั่นใจได ้ว่าเท ้ายังคงวางอยูบ ่ นพืน ้ ยังไม่สามารถจัดลงในแบบจําลองได ้ ิ ส์ในปั จจุบน และวางท่าท ้าทายนักฟิ สก ั

กระจกแตก ่ ว่ นทีอ ิ ส์ได ้ แบบจําลองมาตรฐานเป็ นการสังเคราะห์ของความคิดทัง้ หมดสูส ่ ยูภ ่ ายในทีส ่ ด ุ ของสสารซึง่ ฟิ สก รวบรวมตลอดศตวรรษทีผ ่ า่ นมา มันยืนอย่างมัน ่ คงบนฐานทางทฤษฎีทป ี่ ระกอบด ้วยหลักความสมมาตรของ ิ ส์และทฤษฎีสม ั พัทธภาพและคงทนต่อการทดสอบจํานวนนับไม่ถ ้วน แต่กอ ควอนตัมฟิ สก ่ นหน ้ารูปแบบจะเริม ่ ั พันธ์กบ ิ ฤตหลายประการทีเ่ กิดขึน ้ คุกคามการก่อสร ้างทีส ่ มดุลอย่างดีนี้ วิกฤตเหล่านีส ้ ม ั ความจริง เด่นชัด มีวก ิ ส์ได ้ตัง้ สมมติฐานใช ้กฎของความสมมาตรประยุกต์กบ ทีว่ า่ นักฟิ สก ั โลกขนาดเล็กของอนุภาคมูลฐาน แต่ผล ออกมาว่าสิง่ นีไ้ ม่ใช่โดยทัง้ หมด ่ ในปี 1956 เมือ ่ นักทฤษฎีชาวจีน-อเมริกน ั สองคน หลีเ่ จิง้ ต ้าว (Tsung Dao Lee) ความประหลาดใจครัง้ แรกเริม กับ หยางเจิน ้ หนิง (Chen Ning Yang) (ได ้รับรางวัลโนเบลในปี ถัดมา 1957) ท ้าทายความสมมาตรกระจกเงา (ความสมมาตร P) ในแรงชนิดอ่อน ว่าธรรมชาติเคารพต่อความสมมาตรกระจกเงา ความสมมาตรทีใ่ ห ้ ความสําคัญกับซ ้ายและขวา ถูกพิจารณาเช่นเดียวกับหลักความสมมาตรอืน ่ ๆ ว่าเป็ นข ้อเท็จจริงทีไ่ ด ้รับการ ก่อตัง้ มาอย่างดี ตามคําอ ้างของหลีแ ่ ละหยาง เราจําเป็ นต ้องประเมินผลหลักการในโลกควอนตัมยุคเก่าอีกครัง้ โลกทีอ ่ นุภาค มูลฐานดํารงอยู่ พวกเขาเสนอชุดของการทดลองเพือ ่ ทดสอบความสมมาตรกระจกเงานี้ และอย่างทีม ่ ั่นใจได ้ ั มันตรังสี เพียงพอ เพียงไม่กเี่ ดือนหลังจากนัน ้ การสลายของนิวเคลียสอะตอมในโคบอลต์-60 ซึง่ เป็ นธาตุกม เผยให ้เห็นว่ามันไม่ได ้ยึดหลักความสมมาตรกระจกเงา ความสมมาตรพังทลายเมือ ่ อิเล็กตรอนทีท ่ งิ้ นิวเคลียส ของโคบอลต์ชอบทิศทางหนึง่ มากกว่าทิศทางอืน ่ มันเหมือนกับถ ้าคุณกําลังยืนอยูห ่ น ้าสถานีสตอร์กโฮล์ม เซ็นทรัล และมองดูผู ้คนส่วนใหญ่เดินออกไปทางซ ้ายจากสถานี

4 อสมมาตรตามธรรมชาติกา ํ หนดชะตากรรมของเรา มันอาจเป็ นไปได ้ว่าความสมมาตรประจุและกระจกเงาพังทลายแยกกัน แต่ทงั ้ คู่ หรือทีเ่ รียกความสมมาตร CP ิ ส์ปลอบตัวเองด ้วยความคิดทีว่ า่ (CP-symmetry) ไม่ได ้พังทลายในเวลาเดียวกันอย่างแน่นอน สังคมชาวฟิ สก ่ ว่ากฎของธรรมชาติจะไม่เปลีย ความสมมาตรนีย ้ ังคงไม่พังทลาย พวกเขาเชือ ่ นแปลงเมือ ่ คุณก ้าวเข ้าไปในโลก ่ ้วยปฏิสสาร กระจกเงาทีซ ่ งึ่ สสารถูกแทนทีด นีย ่ ังหมายความด ้วยว่าถ ้าคุณเจอสิง่ มีชวี ต ิ ต่างดาว มันไม่ควรจะมี ทางใดใช ้ตัดสินใจได ้ว่าเอเลีย ่ นตัวนีม ้ าจากโลกของเราหรือมาจาก ปฏิโลก การกอดต ้อนรับอาจจะมีผลสืบเนือ ่ งทีเ่ ลวร ้าย มีพลังงาน เพียงเล็กน ้อยทีห ่ ลงเหลือเมือ ่ สสารและปฏิสสารสลายกันและกัน ในการพบหน ้าครัง้ แรก ดังนัน ้ มันจึงเป็ นเรือ ่ งทีด ่ ท ี แ ี่ รงชนิดอ่อนกลับมาโดดเด่นบนเวทีอก ี ครัง้ ในปี 1964 การฝ่ าฝื นกฎความสมมาตรแบบใหม่ปรากฏในการ สลายปล่อยกัมมันตรังสีของอนุภาคประหลาดทีเ่ รียกว่าเคออน ้ ว (รางวัลโนเบลปี 1980 ของเจมส์ โครนิน กับวาล ฟิ ทช์) เศษเสีย เล็ก ๆ ของเคออนไม่เป็ นไปตามความสมมาตรกระจกเงาและประจุ ทีเ่ ป็ นทีย ่ อมรับ พวกมันทําลายความสมมาตรคู่ CP และท ้าทาย โครงสร ้างทัง้ หมดของทฤษฎี กอดก ันไหม? รอจนกว่าความ สมมาตรจะชัดเจนก่อน! ถ ้าเอเลีย ่ น ตัวนั น ้ สร ้างจากปฏิสสาร การกอดกัน จะทําให ้คุณหายไปทัง้ คู่ กลายเป็ น พลังงานจํานวนเล็กน ้อย

นึกถึงการพบกับสิง่ มีชวี ต ิ ต่างดาว การค ้นพบนีเ้ สนอทางรอด มัน อาจจะเพียงพอทีจ ่ ะถามมนุษย์ตา่ งดาวก่อนมันกอดคุณ ให ้ดูการ สลายของเคออนทีบ ่ ้านอย่างรอบคอบเป็ นอันดับแรก และ ตรวจสอบว่ามันสร ้างจากสสารเหมือนเราหรือจากปฏิสสาร

บุคคลแรกทีช ่ ใี้ ห ้เห็นความสําคัญแน่นอนของความสมมาตรที่ ิ ส์รางวัลโนเบลชาวรัสเซียแอนเดร ซาคเออราฟ ในปี 1967 พังทลายในฐานะปฐมบทของจักรวาลเป็ นนักฟิ สก ิ ส์ เขาได ้ตัง้ เงือ ่ นไขสามข ้อสําหรับสร ้างโลกทีเ่ หมือนโลกของเรา โลกทีป ่ ราศจากปฏิสสาร ข ้อแรก กฎฟิ สก ้ ก ู ค ้นพบจากการพังทลายของสมมาตร แตกต่างกันระหว่างสสารกับปฏิสสาร ซึง่ ในความเป็ นจริงแล ้วกฎข ้อนีถ CP ข ้อทีส ่ อง จักรวาลกําเนิดจากความร ้อนของบิกแบง และข ้อสาม โปรตอนในทุกนิวเคลียสของอะตอมแตก ้ เล็กชิน ้ น ้อย เงือ ่ ด เป็ นชิน ่ นไขข ้อสุดท ้ายนีอ ้ าจนํ าไปสูจ ุ จบของโลก เนือ ่ งจากมันแฝงความหมายว่าสสาร ้ เลย และการทดลองบอก ทัง้ หมดในทีส ่ ด ุ แล ้วสามารถสูญหายไปได ้ แต่ตราบเท่าทีเ่ ป็ นมาสิง่ นีไ้ ม่เคยเกิดขึน ื มากกว่า 10 ล ้านล ้านเท่าของของเอกภพซึง่ มีอายุมากกว่า 1010 ปี เราว่าโปรตอนเสถียรสําหรับ 1033 ปี อายุยน เพียงเล็กน ้อย แต่กระนัน ้ ก็ไม่มผ ี ู ้ใดทราบว่าห่วงโซ่เหตุการณ์ของซาคเออราฟเกิดขึน ้ ได ้อย่างไรในช่วงขวบต ้น ของเอกภพ

การแก้ปริศนาความสมมาตรทีพ ่ ังทลาย ิ ส์ มันอาจจะเป็ นไปได ้ว่าเงือ ่ นไขของซาคเออราฟท ้ายทีส ่ ด ุ จะรวมเข ้าด ้วยกันกับแบบจําลองมาตรฐานของฟิ สก เมือ ่ นัน ้ สสารส่วนเกินทีถ ่ ก ู สร ้างขึน ้ ตอนกําเนิดเอกภพจะได ้รับคําอธิบาย แต่อย่างไรก็ตาม นั่นต ้องการการฝ่ า ฝื นความสมมาตรทีเ่ ยอะมากกว่าความสมมาตรทีพ ่ ังทลายคูซ ่ งึ่ ฟิ ทช์และโครนินพบในการทดลองของพวกเขา อย่างไรก็ตาม แม ้กระทั่งความสมมาตรทีพ ่ ังทลายทีเ่ ล็กน ้อยกว่าอย่างมีนัยสําคัญ ทีเ่ คออนรับผิดไปเต็ม ๆ จาก การแหกกฎ ก็ต ้องการการตีความ มิฉะนัน ้ แบบจําลองมาตรฐานทัง้ หมดจะถูกคุกคาม คําถามทีว่ า่ เหตุใดความ สมมาตรจึงพังทลายเป็ นปริศนากระทั่งปี 1972 เมือ ่ นักวิจัยหนุ่มสองคนจากมหาวิทยาลัยเกียวโต มาโกโตะ ิ เิ ดะ ม ัตสก ึ าวะ ผู ้คุ ้นเคยกับการคํานวณควอนตัมฟิ สก ิ ส์ ได ้พบคําตอบใน 3 x 3 เมตริกซ์ โคบายาช ิ กับ โทชฮ ความสมมาตรทีพ ่ ังทลายคูเ่ กิดขึน ้ ได ้อย่างไร? อนุภาคเคออนแต่ละตัวประกอบด ้วยการรวมกันของควาร์กและ แอนติควาร์ก แรงชนิดอ่อนทําให ้พวกมันสลับตัวตนซํา้ กลับไปกลับมา ควาร์กกลายมาเป็ นแอนติควาร์ก ในขณะทีแ ่ อนติควาร์กกลายมาเป็ นควาร์ก ดังนัน ้ มีการแปลงจากเคออนไปเป็ นแอนติเคออนของมัน ในวิถน ี ี้ อนุภาคเคออนกลายร่างสลับระหว่างตัวมันเองกับปฏิตวั มันเอง แต่ถ ้าอยูภ ่ ายใต ้เงือ ่ นไขทีเ่ หมาะสม ความ

5 สมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสารจะถูกทําลาย เมตริกซ์การคํานวณของโคยาบาชิและมัตสึกาวะแสดงความ น่าจะเป็ นสําหรับอธิบายว่าการแปลงของควาร์กเกิดขึน ้ ได ้อย่างไร

์ ยูเ่ บือ ้ งหล ังการกระทําการแปลงทีแ ควอนต ัมฟิ สิกสอ ่ ปลกประหลาดนี้ เคออนสามารถสลับระหว่างตัวมันเองและ ่ อนติเคออน ทุกตระกูลของควาร์กทีร่ ู ้ในปั จจุบน เป็ นปฏิตวั มัน จากเคออนสูแ ั จะต ้องมีสว่ นในกระบวนการทีใ่ นน ้อยกรณีความ สมมาตรจะถูกทําลาย คําอธิบายว่าสิง่ นีเ้ กิดขึน ้ ได ้อย่างไร ทําให ้โคบายาชิและมัตสึกาวะเป็ นผู ้ได ้รับรางวัลโนเบลสาขา ฟิ สกิ ส์ในปี นี้

ผลออกมาว่าควาร์กและแอนติควาร์กสลับตัวตนกันและกันภายในตระกูลของพวกมันเอง ถ ้าการสลับตัวตนนี้ ด ้วยสมมาตรทีถ ่ ก ู ทําลายคูเ่ กิดขึน ้ ระหว่างสสารกับปฏิสสาร จําเป็ นต ้องมีตระกูลควาร์กเพิม ่ เข ้ามา ั เจน และแบบจําลองมาตรฐานก็อ ้าแขนรับข ้อ นอกเหนือจากสองตระกูลนัน ้ (ดูหน ้าที่ 3) นีเ่ ป็ นหลักการทีช ่ ด คาดการณ์ควาร์กใหม่เหล่านี้ ปรากฏดังคําทํานายในการทดลองเวลาต่อมา ชาร์มควาร์ก (charm quark) ถูก ค ้นพบในต ้น 1974 บอททอมควาร์ก (bottom quark) ในปี 1977 และตัวสุดท ้าย ท็อปควาร์ก (top quark) ในปลาย 1994

โรงงานเมซอนมีคา ํ ตอบ มันอาจจะเป็ นไปได ้ว่าคําอธิบายความสมมาตร CP ทีพ ่ ังทลายมีเรซอง ดีทเทรอ (เหตุผลสําหรับการดํารงอยู)่ ั ้ มากซึง่ ทํา ของตระกูลอนุภาคทีส ่ องและสาม สองตระกูลนีค ้ ล ้ายกับตระกูลแรกในหลาย ๆ ด ้าน ยกเว ้นอายุทส ี่ น ่ นแปลง ให ้พวกมันไม่สามารถสร ้างอะไรให ้ดํารงอยูใ่ นโลกเราได ้เลย ความเป็ นไปได ้หนึง่ คือ อนุภาคทีเ่ ปลีย ง่ายเหล่านีเ้ ติมเต็มหน ้าทีส ่ ําคัญยิง่ ยวดของมัน ณ จุดเริม ่ ต ้นของเวลา เมือ ่ การดํารงอยูข ่ องพวกมันรับประกัน ั ชนะเหนือปฏิสสาร ดังทีไ่ ด ้กล่าวแล ้วตอนต ้น ธรรมชาติ การเกิดความสมมาตรทีพ ่ ังทลาย ซึง่ ทําให ้สสารมีชย ่ ังทลายจําเป็ นต ้องเกิดขึน ้ หลาย แก ้ไขปั ญหานีไ้ ด ้อย่างไรยังเป็ นอะไรทีเ่ ราไม่รู ้ในรายละเอียด ความสมมาตรทีพ ต่อหลายครัง้ เพือ ่ สร ้างสสารทัง้ หมดทีใ่ ห ้ดวงดาวกระจายเต็มท ้องฟ้ าแก่เรา ทฤษฎีของโคบายาชิและมัตสึกาวะยังทํานายว่า มันควรจะเป็ นไปได ้ทีจ ่ ะศึกษาการฝ่ าฝื นสมมาตรหลักใน อนุภาคบี-เมซอน (B-meson) ซึง่ หนักว่าเคออนญาติของมันถึงสิบเท่า อย่างไรก็ตาม บี-เมซอนเกิดสมมาตรที่ พังทลายได ้ยากมาก ต ้องใช ้อนุภาคนีจ ้ ํานวนมหาศาลเพือ ่ ทีจ ่ ะพบเพียงไม่กต ี่ วั ทีท ่ ําลายสมมาตร เคหะก่อสร ้าง ขนาดมหึมาสองแห่ง เครือ ่ งตรวจอนุภาค BaBar ทีเ่ ครือ ่ งเร่งอนุภาค SLAC ทีส ่ แตนฟอร์ด แคลิฟอร์เนีย และ Belle ทีเ่ ครือ ่ งเร่งอนุภาค KEK ทีท ่ สึกบ ุ ะในญีป ่ น ุ่ สร ้างบี-เมซอนมากกว่าหนึง่ ล ้านตัวต่อวันเพือ ่ ติดตามการ สลายตัวของพวกมันในรายละเอียด ราวต ้นปี 2001 การทดลองแบบอิสระต่อกันของทัง้ คูย ่ น ื ยันการฝ่ าฝื น ่ น สมมาตรของบี-เมซอน ตรงตามแบบจําลองของโคบายาชิและมัตสึกาวะทีท ่ ํานายไว ้เมือ ่ 30 ปี กอ ้ ส่วนปริศนาทีข นีห ่ มายถึงความสมบูรณ์ของแบบจําลองมาตรฐานซึง่ ใช ้การได ้ดีมาแล ้วหลายปี ชิน ่ าดหายไป ั เจนทีส ิ ส์ยังไม่พร ้อมทีจ เกือบทัง้ หมดได ้ลงรอยสอดคล ้องกับคําทํานายทีช ่ ด ่ ด ุ แต่ก็เช่นเคย บรรดานักฟิ สก ่ ะ ยอมรับ

6 ่ นอยูภ ้ ตามธรรมชาติ ความสมมาตรย ังคงซุกซอ ่ ายใต้การฝ่าฝื นทีเ่ กิดขึน ่ รง ดังทีไ่ ด ้อธิบายไปแล ้ว แบบจําลองมาตรฐานประกอบด ้วยอนุภาคมูลฐานทัง้ หมดทีเ่ รารู ้จักและสามในสีแ พืน ้ ฐาน แต่ทําไมแรงเหล่านีแ ้ ตกต่างกันมากมาย? และทําไมบรรดาอนุภาคมีมวลทีแ ่ ตกต่างกัน? ตัวทีห ่ นัก ทีส ่ ด ุ คือท็อปควาร์ก หนักมากกว่าสามแสนเท่าของอิเล็กตรอน แล ้วทําไมพวกมันถึงมีมวล? แรงชนิดอ่อน ออกมามีบทบาทอีกครัง้ W กับ Z อนุภาคขนส่งของมันหนักมาก ในขณะทีโ่ ฟตอน พรรคพวกของมัน ซึง่ เป็ น ตัวขนส่งแรงแม่เหล็กไฟฟ้ าไม่มม ี วลเลย ิ ส์สว่ นใหญ่เชือ ่ ว่า สมมาตรทีพ นักฟิ สก ่ ังทลายทีเ่ กิดขึน ้ ตามธรรมชาติอก ี แบบหนึง่ ทีเ่ รียกว่ากลไกฮิกส์ (Higgs mechanism) ได ้ทําลายความสมมาตรดัง้ เดิมระหว่างแรงต่าง ๆ และให ้มวลแก่อนุภาคในภาวะช่วงต ้น ๆ ของ เอกภพ ่ ารค ้นพบดังกล่าวตอนทีเ่ ขาแนะนํ าการฝ่ าฝื นสมมาตรที่ ในปี 1960 โยอิจโิ ระ น ัมบุ เป็ นผู ้วางแผนหนทางสูก ่ ิ สก ิ ส์อนุภาคมูลฐานเป็ นครัง้ แรก ด ้วยการค ้นพบนีเ้ องทีท ่ ําให ้เขาได ้รับรางวัล เกิดขึน ้ ตามธรรมชาติเข ้ามาสูฟ ิ ส์ในปี นี้ นัมบุศก ึ ษาเกีย โนเบลสาขาฟิ สก ่ วกับการคํานวณเชิงทฤษฎีของปรากฏการณ์ทน ี่ ่าสนใจอีกอันหนึง่ ใน ิ ส์ ในการเริม ฟิ สก ่ ต ้นด ้วยความนํ าไฟฟ้ ายิง่ ยวด เมือ ่ กระแสไฟฟ้ าไหลโดยไม่มก ี ารต ้านทานใด ๆ การฝ่ าฝื น สมมาตรทีเ่ กิดขึน ้ ตามธรรมชาติซงึ่ อธิบายความนํ าไฟฟ้ ายิง่ ยวดภายหลังถูกนัมบุแปลงมาสูโ่ ลกของอนุภาคมูล ฐาน และเครือ ่ งมือทางคณิตศาสตร์ของเขาปั จจุบน ั แผ่กระจายทั่วทุกทฤษฎีทเี่ กีย ่ วข ้องกับแบบจําลอง มาตรฐาน ้ ได ้ในชีวต ิ ประจําวัน ดินสอทีเ่ อา เราสามารถพบเห็นการฝ่ าฝื นสมมาตรทีเ่ กิดขึน ้ ตามธรรมชาติทธ ี่ รรมดากว่านัน ่ ารมีตวั ตนอยูอ หัวปั กตัง้ แนวดิง่ นํ าไปสูก ่ ย่างสมมาตรโดยสมบูรณ์ในทุกทิศทางเท่าเทียมกัน แต่ความสมมาตรนี้ ่ นไขของมันเสถียร จะสูญเสียไปเมือ ่ ดินสอล ้มลง ซึง่ ทําให ้มันมีเพียงทางเดียว ในอีกมุมหนึง่ สภาพแวดล ้อมเงือ มากขึน ้ ดินสอไม่สามารถล ้มได ้อีก มันเข ้าสูร่ ะดับพลังงานทีต ่ ํา่ ทีส ่ ด ุ ของมัน

้ ตามธรรมชาติ โลกของดินสอแท่งนีส สมมาตรทีพ ่ ังทลายทีเ่ กิดขึน ้ มมาตรอย่างสมบูรณ์ ทุกทิศทางเท่าเทียมกัน แต่ ความสมมาตรดังกล่าวจะสูญเสียไปเมือ ่ ดินสอล ้มลม คงไว ้เพียงหนึง่ ทิศทาง ความสมมาตรซึง่ เคยมีอยูก ่ อ ่ นหน ้าถูกซ่อนไว ้ เบือ ้ งหลังดินสอทีล ่ ้ม

ิ ส์เป็ นสภาวะทีม สุญญากาศมีระดับพลังงานตํา่ ทีส ่ ด ุ ทีเ่ ป็ นไปได ้ในจักรวาล ในความเป็ นจริง สุญญากาศในฟิ สก ่ ี ่ ของมัน ตัง้ แต่มฟ ิ ส์ควอนตัม พลังงานทีเ่ ป็ นไปได ้ตํา่ สุดอย่างแน่นอน แต่มน ั ก็ไม่ได ้ว่างเปล่าอย่างชือ ี ิ สก สุญญากาศก็ถก ู นิยามว่าเต็มไปด ้วยฟองซุปของอนุภาคทีป ่ ะทุออกมาเพียงเพือ ่ ทีจ ่ ะสูญสลายไปทันทีทันใดอีก ครัง้ ในสนามควอนตัมปั จจุบน ั ทุกหนแห่ง ซึง่ เป็ นสนามทีม ่ องไม่เห็น เราถูกล ้อมรอบด ้วยสนามควอนตัมที่ ่ องธรรมชาติกถ ู บรรยายได ้ด ้วยสนาม สนามโน ้ม แตกต่างกันมากมายในทุกส่วนของอวกาศ แรงพืน ้ ฐานทัง้ สีข ็ ก ถ่วงเป็ นหนึง่ ในนัน ้ ทีเ่ ราทุกคนรู ้จักกัน มันเป็ นสิง่ ทีย ่ ด ึ เราไว ้บนโลกและกําหนดสิง่ ทีข ่ น ึ้ กับสิง่ ทีล ่ ง ่ ังทลาย นัมบุรู ้ตัง้ แต่ชว่ งแรก ๆ ว่าคุณสมบัตข ิ องสุญญากาศเป็ นเรือ ่ งทีน ่ ่าสนใจสําหรับศึกษาความสมมาตรทีพ ทีเ่ กิดขึน ้ ตามธรรมชาติ สุญญากาศซึง่ เป็ นสถานะตํา่ สุดของพลังงานไม่เหมือนกับสภาวะสมมาตรส่วนใหญ่ ทํานองเดียวกับดินสอทีล ่ ้มลง ความสมมาตรของสนามควอนตัมถูกทําลายและมีเพียงหนึง่ จากหลาย ๆ ้ ตาม ทิศทางสนามทีถ ่ ก ู เลือก ในทศวรรษนี้ วิธข ี องนัมบุในการข ้องเกีย ่ วกับการฝ่ าฝื นสมมาตรทีเ่ กิดขึน ธรรมชาติในแบบจําลองมาตรฐานได ้รับการขัดเกลาให ้ดีขน ึ้ พวกมันถูกใช ้บ่อยในปั จจุบน ั สําหรับคํานวณ ผลกระทบของแรงชนิดเข ้ม

7

ิ สใ์ ห้มวล ฮก คําถามเกีย ่ วกับมวลของอนุภาคมูลฐานได ้รับคําตอบจากความสมมาตรทีพ ่ งั ทลายทีเ่ กิดขึน ้ ตามธรรมชาติของ สนามฮิกส์ในสมมติฐาน (hypothetical Higgs field) มันบอกว่าตอนบิกแบง สนามมีความสมมาตรอย่าง สมบูรณ์แบบ และอนุภาคทุกชนิดมีมวลเท่ากับศูนย์ แต่สนามฮิกส์ก็เหมือนกับดินสอทีต ่ งั ้ ยืนอยูบ ่ นหัวของมัน ้ เมือ ่ เอกภพเย็นตัวลง สนามก็จะตกลงสูร่ ะดับพลังงานตํา่ สุดของมัน หรือสุญญากาศ กล่าวคือไม่เสถียร ดังนัน ของมันตามนิยามในควอนตัม ความสมมาตรของมันสูญหายไป และสนามฮิกส์กลายมาเป็ นทํานองนํ้ าเลีย ้ ง สําหรับอนุภาคมูลฐาน พวกมันซึมซับจํานวนทีแ ่ ตกต่างกันของสนามและได ้รับมวลทีต ่ า่ งกัน บางตัว เช่น โฟ ตอน ไม่ดงึ ดูดและยังคงมีมวลเท่ากับศูนย์ แต่ทําไมทีอเิ ล็กตรอนได ้รับมวล นีเ่ ป็ นคําถามทีค ่ อ ่ นข ้างแตกต่างซึง่ ยังไม่มใี ครมีคําตอบ ิ ส์กระหายที่ เช่นเดียวกับสนามควอนตัมอืน ่ ๆ สนามฮิกส์ก็มต ี วั แทนเป็ นของมันเอง นั่นคืออนุภาคฮิกส์ นักฟิ สก จะค ้นหาอนุภาคตัวนี้ ในไม่ช ้า ในเครือ ่ งเร่งอนุภาคทีท ่ รงพลังทีส ่ ด ุ ในโลก เครือ ่ ง LHC ใหม่เอีย ่ มที่ CERN ใน ิ ส์ได ้ เจนีวา มันเป็ นไปได ้ทีจ ่ ะตรวจจับอนุภาคฮิกส์ได ้หลายชนิดทีแ ่ ตกต่างกัน หรือตรวจจับไม่ได ้เลย นักฟิ สก เตรียมทฤษฎีทเี่ รียกว่าทฤษฎีสมมาตรยิง่ ยวด (supersymmetric theory) เป็ นตัวเก็งท่ามกลางทฤษฎีมากมาย สําหรับขยายแบบจําลองมาตรฐาน ทฤษฎีอน ื่ ทีม ่ ี บ ้างก็พส ิ ดารหวือหวาเกินไป บ ้างก็น ้อยไป ไม่วา่ ในกรณีใด ั ก็อยูท ่ น ี่ ั่น ซุกซ่อน พวกมันเป็ นไปได ้ทีจ ่ ะสมมาตร ถึงแม ้ว่าความสมมาตรอาจจะไม่ประจักษ์ในตอนแรก แต่มน ตัวมันภายใต ้รูปลักษณ์ทป ี่ รากฎออกมายุง่ เหยิง