นักฟิสิกส์พบอนุภาคแกว่งตัวผิดปกติ บ่งชี้ว่า “แรงที่ 5” มีอยู่จริง

ทีมนักวิทยาศาสตร์ประจำห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติสหรัฐฯ หรือที่รู้จักกันในชื่อ “เฟอร์มีแล็บ” (Fermilab) อันโด่งดัง ประกาศผลการทดลองที่น่าทึ่งเกี่ยวกับอนุภาคมิวออน (muon) โดยระบุว่าพฤติกรรมที่ผิดปกติบางอย่างของมัน อาจเป็นหลักฐานบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของแรงพื้นฐานในธรรมชาติชนิดใหม่ หรือ “แรงที่ 5” (the fifth force)

มีการเผยแพร่รายละเอียดของผลการทดลองล่าสุดนี้ ในเว็บไซต์คลังเอกสารวิชาการออนไลน์ arXiv.org และทีมนักฟิสิกส์ผู้ทำการวิจัยได้ยื่นเสนอบทความ เพื่อรอรับการพิจารณาลงตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters แล้ว

หากผลการทดลองนี้ผ่านการตรวจสอบและได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้อง การค้นพบแรงพื้นฐานในธรรมชาติชนิดที่ 5 จะทำให้แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค (standard model) ที่ใช้กันมากว่าครึ่งศตวรรษ ต้องมีอันถูกยกเครื่องทบทวนใหม่ เพื่อปรับปรุงแก้ไขความรู้ทางทฤษฎีกันครั้งใหญ่เลยทีเดียว

มีการใช้งานเครื่องเร่งอนุภาคขนาดเล็กเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 เมตร ในโครงการทดลอง “มิวออน จีไมนัสทู” (Muon g-2) เพื่อคำนวณหาค่าการแกว่งตัวของมิวออนขณะวิ่งในสนามแม่เหล็ก (magnetic moment) โดยมุ่งจะวัดค่าดังกล่าวให้ได้ตัวเลขที่แม่นยำมากที่สุด

มิวออนเป็นอนุภาคที่คล้ายกับอิเล็กตรอน แต่มีมวลมากกว่าถึง 200 เท่า จนได้รับฉายาว่าเป็น “อิเล็กตรอนตัวอ้วน” (fat electron) อย่างไรก็ตาม มิวออนมีความเสถียรน้อยกว่ามาก โดยจะสลายตัวกลายเป็นอิเล็กตรอนและนิวทริโนได้ภายในพริบตาที่ 1 ในล้านส่วนของวินาที

มิวออนยังมีค่าการหมุนหรือสปิน (spin) ที่ทำให้มันมีลักษณะคล้ายกับแม่เหล็กธรรมชาติเม็ดเล็กด้วย ดังนั้นเมื่อนักฟิสิกส์เร่งให้มิวออนวิ่งด้วยอัตราที่เฉียดเข้าใกล้ความเร็วแสง โดยผ่านเข้าไปในวงแหวนของเครื่องเร่งอนุภาคที่ห่อหุ้มด้วยแม่เหล็กพลังสูง ในภาวะอุณหภูมิเย็นยะเยือกที่ -268 องศาเซลเซียส มิวออนจึงเกิดการแกว่งตัวส่ายไปมาเพราะแรงดึงของสนามแม่เหล็กรอบข้าง

อย่างไรก็ตาม ภาวะอุณหภูมิต่ำอย่างสุดขั้วได้ช่วยให้มิวออนสลายตัวช้าลงกว่าเดิมถึง 3,000 เท่า ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดค่าการแกว่งตัวของมันได้แม่นยำขึ้นกว่าเก่า จนพบว่าอนุภาคชนิดนี้มีการเคลื่อนไหวซัดส่ายไปมามากผิดปกติ ซึ่งไม่ตรงกับค่าที่คำนวณได้จากการทำนายด้วยแบบจำลองมาตรฐาน อันเป็นหลักการทางทฤษฎีที่ใช้อธิบายอนุภาคและแรงต่าง ๆ ทางฟิสิกส์มาตั้งช่วงทศวรรษ 1970

ปรากฏการณ์ดังกล่าวบ่งชี้ว่า มีแรงลึกลับที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้จักมากระทำต่ออนุภาคมิวออนในการทดลอง จนส่งผลให้มีการแกว่งตัวมากกว่าที่ควรจะเป็น ซึ่งแรงนี้อาจเป็นแรงพื้นฐานชนิดที่ 5 ในธรรมชาติ นอกเหนือไปจากแรงโน้มถ่วง, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม, และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนที่เรารู้จักกันดีอยู่แล้ว

เฟอร์มีแล็บได้ทำการทดลองข้างต้นมาอย่างต่อเนื่อง นับตั้งแต่ปี 2018 โดยประกาศว่าพบความผิดปกติของอนุภาคมิวออนครั้งแรกในปี 2021 แต่ก็ยังคงทำการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีกเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน เพื่อยืนยันความถูกต้องให้ได้ในระดับที่สูงขึ้น

ผลการทดลองที่ประกาศออกมาล่าสุด มาจากการรวบรวมข้อมูลระหว่างปี 2019-2020 โดยทีมผู้วิจัยสามารถลดความเสี่ยงที่ผลการทดลองจะผิดพลาดคลาดเคลื่อนลงได้มากกว่าเดิมถึง 2 เท่า ส่วนผลการทดลองที่ได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลระหว่างปี 2021-2023 จะมีการเปิดเผยในปี 2025 ซึ่งทีมผู้วิจัยหวังว่ามันจะเป็นหลักฐานที่ยืนยันถึงการมีอยู่ของ “แรงที่ 5” ได้อย่างสมบูรณ์และหนักแน่นขึ้น

แม้ปัจจุบันจะมีทีมนักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศ ที่สามารถตรวจวัดค่าการแกว่งตัวของมิวออนได้แตกต่างออกไป และหลายทีมก็ยังคำนวณได้ตรงตามขอบเขตการทำนายของแบบจำลองมาตรฐาน แต่หากข้อมูลตัวเลขที่เฟอร์มีแล็บค้นพบได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง นี่จะเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหญ่ที่สุดในรอบ 100 ปีที่ผ่านมา นับตั้งแต่การคิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

การค้นพบแรงพื้นฐานชนิดที่ 5 ในธรรมชาติ ยังอาจจะช่วยไขปริศนาเรื่องการขยายตัวด้วยอัตราเร่งของเอกภพ และการที่ดาราจักรหรือกาแล็กซีต่าง ๆ หมุนด้วยความเร็วสูงกว่าที่ควรจะเป็น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เคยตั้งสมมติฐานไว้ว่า ปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจมีสาเหตุมาจาก “พลังงานมืด” (dark energy) และ “สสารมืด” (dark matter) ตามลำดับ

ไม่แน่ว่าแรงพื้นฐานในธรรมชาติที่ค้นพบในครั้งนี้ อาจเป็นอนุภาคชนิดใหม่หรือมิติใหม่ทางฟิสิกส์ อันเป็นตัวตนที่แท้จริงหรือตัวการที่อยู่เบื้องหลังพลังงานและสสารมืดก็เป็นได้