เป็นเวลาที่น่าตื่นเต้นในการเป็นนักฟิสิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในออสเตรเลีย ในช่วงกลางปี 2012 Higgs boson ถูกค้นพบที่ CERNและนักฟิสิกส์จากเมลเบิร์นได้มีส่วนร่วมในการพัฒนาเครื่องตรวจจับ ATLASที่เข้าร่วมในการค้นพบนี้ จากนั้นก็มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง เป็นครั้งแรก ในต้นปี 2559 โดยมีผู้ร่วมให้ข้อมูลชาวออสเตรเลียจากมหาวิทยาลัยแอดิเลดมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลียและมหาวิทยาลัยเวสเทิร์นออสเตรเลีย
เพิ่งมีรายงานใน Nature เป็นความก้าวหน้าอีกครั้งในฟิสิกส์พื้นฐาน
คราวนี้เกี่ยวกับปฏิสสาร และนี่ก็เป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่นักวิจัยชาวออสเตรเลียมีบทบาทมาก
นักวิจัยที่ CERN สามารถแยกอะตอมของแอนตีไฮโดรเจนหลายอะตอม ซึ่งเป็นสารคล้ายปฏิสสารของไฮโดรเจน และวัดคุณสมบัติของมันด้วยความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน
การตัดสินใจที่ดีขึ้นเริ่มต้นด้วยข้อมูลที่ดีขึ้น
แม้ว่านักวิจัยชาวออสเตรเลียจะไม่ได้เป็น ส่วนหนึ่งของโปรแกรมการทดลองนี้อย่างเป็นทางการ แต่เราได้ให้การคำนวณที่แสดงวิธีเพิ่มจำนวนอะตอมของแอนติไฮโดรเจนอย่างมาก
เรื่องลี้ลับ
เหตุใดจึงสนใจสารต้านไฮโดรเจนหรือปฏิสสารโดยทั่วไป ปรากฎว่าพร้อมกับพลังงานมืดและสสารมืดการมีอยู่ของปฏิสสารเป็นเรื่องลึกลับสำหรับนักฟิสิกส์
ปริศนาที่ใหญ่ที่สุดคือเหตุใดจึงมีสสารจำนวนมากในเอกภพ และมีปฏิสสารเพียงน้อยนิด คงจะง่ายกว่ามากที่จะอธิบายได้ว่าในเอกภพมีปริมาณสสารและปฏิสสารเท่ากันหรือไม่มีเลย
แบบจำลองมาตรฐานคาดการณ์ปริมาณปฏิสสารและสสารที่ถูกสร้างขึ้นโดยบิกแบงในปริมาณที่เท่ากัน แต่ในความเป็นจริงแล้วมีปฏิสสารในปริมาณเล็กน้อยเมื่อเทียบกับสสาร ทำไมถึงเป็นเช่นนี้? ไม่มีใครรู้ และรางวัลโนเบลรอใครก็ตามที่แก้ปัญหานี้ได้
มันน่าสนใจยิ่งขึ้นแม้ว่า เนื่องจากไม่มีการรวมกันระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเราไม่มีเหตุผลที่จะเชื่อว่าปฏิสสารจะทำงานในสนามโน้มถ่วงในลักษณะเดียวกับสสาร นี่คือสิ่งที่นักฟิสิกส์ต้องการทดสอบเป็นอย่างมาก แต่ในการทำเช่นนั้น เราจำเป็นต้องสร้างปฏิสสารในปริมาณมาก
นอกจากนี้ ยังต้องมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าด้วย เพื่อที่ว่าผล
กระทบใดๆ ของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อปฏิสสารจะไม่ถูกแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังกว่ามากครอบงำ แอนติไฮโดรเจนเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการทดลองนี้เนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้า
ความสนใจของกลุ่ม Gravitational Behavior of Antihydrogen at Rest ( GBAR ) ที่ CERN คือการสังเกตว่าแอนติไฮโดรเจนมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้แรงโน้มถ่วง ถ้ามันตกลงมา เช่นเดียวกับไฮโดรเจนธรรมดา จะไม่ค่อยมีใครเรียนรู้เกี่ยวกับความไม่สมมาตรของสสารและปฏิสสารในเอกภพ ในทางกลับกัน ถ้ามันขึ้น รากฐานของฟิสิกส์จะต้องคิดใหม่!
เรารู้มามากแล้วเกี่ยวกับพฤติกรรมของสสาร เช่น วิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่างเปลือกรอบๆ นิวเคลียส เราได้วัดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการชนอิเล็กตรอนจากชั้นในสุด 1 เชลล์ และ 2 เชลล์ถัดไป ด้วยความแม่นยำจนน่าตกใจ – ออกมาเป็น 15 ตัวเลขที่มีนัยสำคัญ
หากสามารถวัดการเปลี่ยนผ่านแบบเดียวกันในแอนติไฮโดรเจนในระดับความแม่นยำที่ใกล้เคียงกัน บางทีเราอาจจะได้รับเงื่อนงำเกี่ยวกับความไม่สมมาตรของสสารและปฏิสสารเป็นครั้งแรก
ในวิชาฟิสิกส์ เมื่อเราทำการทดลอง การวัดจะถูกทำซ้ำหลายครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์มีนัยสำคัญทางสถิติ การทำงานกับแอนติไฮโดรเจนไม่ใช่เรื่องง่ายนัก
เมื่อสสารและปฏิสสารมารวมกัน พวกมันก็จะทำลายล้าง สร้างพลังงานจำนวนมหาศาล (ตามที่อธิบายไว้ในสูตร E=mc² ที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์) ประโยชน์เชิงปฏิบัติประการหนึ่งคือการสแกนเอกซเรย์ปล่อยโพซิตรอน ( PET ) เพื่อตรวจหามะเร็ง
PET ใช้การทำลายโพซิตรอน (แอนตีอิเล็กตรอน) ด้วยอิเล็กตรอนเพื่อสร้างรังสีแกมมาที่เราสามารถใช้ระบุตำแหน่งของมะเร็งในร่างกายได้
ในการทดลองใหม่ที่ CERN จำนวนอะตอมของแอนติไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นในตอนแรกอยู่ที่ประมาณ 25,000 แต่มีเพียงสิบกว่าตัวเท่านั้นที่ติดอยู่และสามารถตรวจสอบได้อย่างใกล้ชิด
อย่างไรก็ตาม นั่นเพียงพอที่จะวัดการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนแบบ 1 เชลล์ถึง 2 เชลล์ด้วยความแม่นยำถึง 10 ตัวเลขที่มีนัยสำคัญ ซึ่งทั้งหมดนี้สอดคล้องกับกรณีไฮโดรเจนทั่วไป
ปฏิสสารที่อยู่ด้านล่าง
แม้ว่าจนถึงตอนนี้จะไม่มีอะไรน่าประหลาดใจ แต่เป้าหมายต่อไปคือการเพิ่มจำนวนอะตอมของแอนติไฮโดรเจนที่ติดอยู่อย่างมาก เพื่อให้เราสามารถสร้างการทดลองด้วยแรงโน้มถ่วงและสเปกโทรสโกปีด้วยความแม่นยำที่ดีขึ้นมาก
นี่คือที่มาของการวิจัยของเราเกี่ยวกับวิธีผลิตอะตอมของแอนติไฮโดรเจนให้มากขึ้น โดยทั่วไปแล้วแอนตีไฮโดรเจนจะทำโดยการนำโพซิตรอนซึ่งเป็นโพซิตรอนและอิเลคตรอนมารวมกันกับโพซิตรอนและอิเลคตรอนที่ถูกทำให้เย็นจนต่ำกว่าค่าสัมบูรณ์ ศูนย์.
เราแสดงให้เห็นว่าหากเตรียมโพซิตรอนเนียมในขั้นแรกให้อยู่ในสถานะที่มีการกระตุ้นด้วยไฟฟ้ามากขึ้น ซึ่งสามารถทำได้เป็นประจำด้วยเลเซอร์สมัยใหม่ จำนวนของอะตอมต้านไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นจะเพิ่มขึ้นหลายลำดับความสำคัญ
ขณะนี้กระบวนการนี้อยู่ระหว่างการพัฒนาที่ CERN และเราหวังว่าจะได้เห็นหนึ่งในปัญหาทางฟิสิกส์ที่มีมาอย่างยาวนาน นั่นคือ ความไม่สมมาตรของสสาร-ปฏิสสาร ซึ่งกำลังถูกจัดการโดยทีมเวิร์คของนักฟิสิกส์เชิงทดลองและนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี
