19
Aug
2022

เราจะเคย… เข้าใจไหมว่าสสารมืดทำมาจากอะไร?

บางทีความลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลก็คือสารลึกลับที่ประกอบขึ้นเป็นมวลส่วนใหญ่ ถ้าสสารมืดมีอยู่จริง แมทธิว ฟรานซิสถาม มันคืออะไรกันแน่?

สวยงามอย่างที่มันเป็น จักรวาลซ่อนความลับมากมายจากเรา ดวงดาว กาแลคซี่ และวัตถุอื่นๆ ทั้งหมดที่เราเห็นปิดบังการมีอยู่ของสสารอื่นซึ่งประกอบด้วยประมาณ 84% ของมวลทั้งหมดในจักรวาล สารนั้นซึ่งในความไม่รู้ของเราเราเรียกว่าสสารมืดได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยากอย่างน่ารำคาญสำหรับส่วนที่ดีกว่าของศตวรรษ

การตรวจจับสสารมืดโดยตรงได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยาก แต่มีหลักฐานที่แน่ชัดว่าสสารมืดมีอยู่จริง และมาจากแหล่งที่หลากหลาย คำใบ้แรกของการมีอยู่ของสสารมืดเกิดขึ้นในปี 1933 เมื่อนักดาราศาสตร์ชาวสวิส Fritz Zwickyคำนวณว่ากระจุกดาราจักรราศีกันย์ของดาราจักรไม่มีสสารที่มองเห็นได้มากเพียงพอในรูปของก๊าซและดาวที่จะรวมเข้าด้วยกัน มันต้องฝังอยู่ในรัศมีของบางสิ่งที่มองไม่เห็น มิฉะนั้น มันจะหลุดออกจากกัน ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน Vera Rubinได้แสดงขนาดของปัญหามวลที่หายไป เมื่อเธอแสดงให้เห็นว่าบริเวณรอบนอกของดาราจักรชนิดก้นหอยหมุนเร็วเกินไป เว้นแต่ดาราจักรจะมีมวลมากกว่าที่มองเห็นได้มาก

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา หลักฐานของสสารมืดเริ่มแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น กระจุกดาราจักร ซึ่งรวมถึง“กระจุกกระสุน” อันเป็นสัญลักษณ์ที่ ค้นพบในปี 2549 มีมวลมากกว่าที่มองเห็นได้ในดาวและก๊าซ ในสเกลที่ใหญ่กว่านั้น ดาราจักรรวมตัวกันเป็นกระจุกและเส้นใยยาว แทนที่จะตกลงไปในรูปแบบแบบสุ่ม และบริเวณรอบๆ ส่วนใหญ่ไม่มีสสาร

แล้วถ้าสสารมืดมีอยู่จริง มันทำมาจากอะไร? ตอนนี้ คำถามที่ตอบง่ายกว่ามากคือสสารมืดไม่ใช่อะไร ก่อนอื่น ชื่อนี้ทำให้เข้าใจผิด: สสารมืดไม่ได้ “มืด” ในทุกความหมายตามปกติของคำ “สสารที่มองไม่เห็น” เป็นคำที่ดีกว่า: แสงที่ส่องบนสสารมืดจากแหล่งใด ๆ ผ่านไปโดยไม่ถูกดูดซับหรือกระจัดกระจาย โดยไม่คำนึงถึงชนิดของแสง ซึ่งหมายความว่าสสารมืดไม่สามารถสร้างจากอะตอมหรือชิ้นส่วนที่เป็นส่วนประกอบได้ นั่นคือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน

อันที่จริง สสารมืดไม่สอดคล้องกับสิ่งใดในแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งเป็นคำอธิบายที่ดีที่สุดที่เรามีเกี่ยวกับวิธีการทำงานของจักรวาล แบบจำลองมาตรฐานอธิบายหลายแง่มุมของสสารธรรมดาที่เรารู้จัก พร้อมด้วยแรงพื้นฐานสามในสี่: แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงแรง (แรงที่สี่ ความโน้มถ่วง อยู่เหนือแบบจำลองมาตรฐาน มันควบคุมโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์) นอกจากนี้ยังรวมถึงวัตถุจำนวนมากที่มีอยู่ชั่วคราว รวมทั้งอนุภาคที่ทำจากควาร์กแปลกใหม่ที่สลายตัวเร็วมาก หรือที่เป็นเรื่องปกติ แต่ตรวจจับได้ยาก เช่น นิวตริโน ชิ้นส่วนสุดท้ายของ Standard Model อาจถูกพบเมื่อฤดูร้อนปีที่แล้ว โดยมีการค้นพบบางสิ่งที่คล้ายกับHiggs boson ที่ Cern

หลักฐานที่เย็นชา 

สสารมืดไม่ใช่สิ่งที่กล่าวมาข้างต้น ในแง่ฟิสิกส์ของอนุภาค สสารมืดไม่ได้ทำปฏิกิริยากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งควบคุมแสง และไม่สนใจแรงที่แข็งแกร่งซึ่งผูกนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน แต่การเข้าใจว่ามันทำงานอย่างไรด้วยแรงโน้มถ่วงนั้นให้เบาะแสบางอย่างในการแต่งหน้า

วิธีที่ดาราจักรรวมตัวกันเป็นกระจุกและเส้นใยยาวสมเหตุสมผลที่สุดถ้าจักรวาลเริ่มเป็นเมฆสสารมืดที่เกือบจะสม่ำเสมอ แต่มีความหนาแน่นผันผวนเล็กน้อยซึ่งสสารมืดมากกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อยจะนั่งอยู่ ความหนาแน่นที่มากเกินไปนั้นจะดึงดูดสสารมากขึ้น ทำให้เกิดก้อนในบางแห่งและทำให้พื้นที่อื่นๆ หมดไป และต้องขอบคุณผู้คนที่ตรวจวัดเสียงสะท้อนที่แผ่วเบาของการกำเนิดจักรวาล – พื้นหลังไมโครเวฟ ในจักรวาล – เรารู้ว่าอะตอมประกอบด้วยสสารมากน้อยเพียงใดและมองไม่เห็นเท่าใด

จากข้อมูลเหล่านี้ เราสามารถเรียนรู้สิ่งสำคัญบางอย่างได้ ประการแรก สสารมืดดูเหมือนจะทำตัวเหมือนอนุภาค โดยพิจารณาจากวิธีที่มันรวบรวมและทำงานภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง นอกจากนี้ สสารมืดยัง “เย็น” ซึ่งหมายความว่ามันไม่ได้เคลื่อนที่เร็วมาก สสารมืดที่ร้อนเกินไปจะต้านทานการเกาะกลุ่มกันมากเท่าที่เราสังเกตได้ ในทางกลับกัน ก็มีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับอนุภาคสสารมืดที่มีมวลต่ำที่สุด: ถ้าพวกมันเบาเกินไป พวกมันก็มักจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น นิวตริโนถึงแม้จะมีจำนวนมหาศาลและไม่ได้รับผลกระทบจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ก็เบาเกินไปและทำให้ “ร้อน” เกินกว่าจะเป็นสสารมืด

ในการทำให้สิ่งต่างๆ เย็นลง อนุภาคสสารมืดจะต้องไม่ชนกันในทันที ไม่ว่ากันหรือกับสสารธรรมดา นั่นเป็นเพราะการชนกันส่งพลังงาน นำไปสู่ความเร็วที่สูงขึ้น และทำให้สสารมืดอุ่นขึ้นในที่สุด งานวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การทดสอบว่าสสารมืดสามารถชนกันในบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงได้มากน้อยเพียงใด เช่น ใกล้ศูนย์กลางของดาราจักร

ไดอารี่ของอนุภาค WIMpy 

หลักฐานเชิงสังเกตอาจตัดสองในสามวิธีที่ไม่โน้มถ่วงที่สสารมืดสามารถโต้ตอบกับสสารธรรมดาได้ แต่นั่นยังคงทิ้งความเป็นไปได้อย่างหนึ่ง: พลังที่อ่อนแอ อันที่จริง ส่วนขยายต่างๆ ของ Standard Model ทำนายการมีอยู่ของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์น้อย ซึ่งรวมถึงทฤษฎียอดนิยมที่เรียกว่าสมมาตรยิ่งยวด (Susy มักออกเสียงว่า SOOsee) ซึ่งเป็นหนึ่งในเสาหลักของทฤษฎีสตริง ผู้สมัครสสารมืดที่มีแนวโน้มมากที่สุดซึ่งครอบคลุมความเป็นไปได้ทั้งหมดเหล่านี้เรียกว่า Wimp: อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิกิริยาเล็กน้อย

อย่างไรก็ตาม นั่นเป็นหมวดหมู่ใหญ่ ที่แย่ไปกว่านั้น แบบจำลองไม่ได้ทำนายมวลเฉพาะสำหรับตัวเลือก Wimp ใดๆ ทำให้นักฟิสิกส์ทดลองมีช่วงของค่าที่เป็นไปได้ (นั่นไม่ใช่ปัญหาเฉพาะสำหรับ Wimps แน่นอน: Higgs boson ยังขาดการทำนายมวลเฉพาะจากทฤษฎี)

แม้จะมีปัญหาเหล่านี้ทั้งหมด แต่การทดลองและการสังเกตที่หลากหลายได้ช่วยลดช่วงมวลของ Wimp ลง

ตัวอย่างเช่น การทดลอง XENON100ซึ่งตั้งอยู่ลึกใต้ภูเขา Gran Sasso ในอิตาลี มีเป้าหมายของซีนอนเหลวที่อุณหภูมิ -91C ในกระบอกสูบสแตนเลส เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับนิวตริโน การวางเครื่องตรวจจับสสารมืดไว้ใต้ดินจะช่วยป้องกันอนุภาครังสีคอสมิกจากการรบกวนอุปกรณ์ ถ้า Wimp เข้าไปในกระบอกสูบและชนกับอะตอมของซีนอน อะตอมจะตอบสนองโดยการสูญเสียอิเล็กตรอน เพลตที่มีประจุไฟฟ้าที่ปลายกระบอกสูบจะดันอิเล็กตรอนขึ้นไปบนสุด ซึ่งจะถูกบันทึก พร้อมกับแสงใดๆ ที่ซีนอนปล่อยออกมาจากการชนกัน เนื่องจากพวกมันโต้ตอบกับสสารเล็กน้อย Wimp แต่ละตัวจึงไม่น่าจะชนกับสิ่งใด ดังนั้นทีม XENON100 จึงมองหาการชนกันครั้งเดียว ยิ่งไปกว่านั้น และการชนกันอาจเป็นอนุภาคอีกประเภทหนึ่ง เช่น นิวตรอน

ในเดือนกรกฎาคม 2555 ทีมวิจัย XENON100 ประกาศว่าพวกเขาไม่พบลายเซ็น Wimp ใด ๆที่เกินขีดจำกัดมวลที่กำหนด หลังจากดำเนินการเป็นเวลา 225 วัน ตลอด 13 เดือน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ข้อมูลเหล่านี้ไม่รวมช่วง Wimp ที่เป็นไปได้หลายช่วงจาก Susy ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ที่น่าผิดหวังอื่นๆจากการชนกันของอนุภาค ผลลัพธ์ของ XENON100 ยังขจัดการตรวจจับที่เป็นไปได้จากการทดลองอื่นๆ ทิ้งให้นักล่าสสารมืดขบเขี้ยวเคี้ยวฟัน

อย่างไรก็ตาม การทดลองการตรวจจับสสารมืดที่สำคัญกำลังอัปเกรดและ การทดลอง ใหม่อยู่ในระหว่างดำเนินการ เป้าหมายหลักในความพยายามทั้งหมดเหล่านี้ ได้แก่ การลดสัญญาณพื้นหลัง (จากรังสีคอสมิกและอนุภาคอื่นๆ) และเพิ่มความไวในช่วงมวลซึ่งแบบจำลองต่างๆ คาดการณ์ว่า Wimps อาจซ่อนตัวอยู่

กองกำลังที่แปลกใหม่

หากเครื่องตรวจจับอนุภาคไม่สามารถเปิดโปงเอกลักษณ์ของสสารมืดได้ บางทีดาราศาสตร์อาจเข้ามาช่วยเหลือได้ เช่นเดียวกับสสารธรรมดาที่มาพร้อมกับปฏิสสาร สสารมืดควรมีคู่ของมัน ดังนั้น การตรวจจับการทำลายล้างคู่สสารมืด/ปฏิสสารในพื้นที่หนาแน่นในอวกาศอาจเป็นหลักฐานทางอ้อม ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์ Fermi Gamma Ray Observatory ที่โคจรอยู่แสดงสัญญาณยั่วเย้าที่มาจากใกล้ศูนย์กลางของทางช้างเผือกซึ่งอาจมาจากการทำลายล้างของวิมป์ อย่างไรก็ตามผลที่ได้ลดน้อยลงไปจนไม่มีนัยสำคัญหลังจากการวิเคราะห์เพิ่มเติม การสังเกตกาแล็กซีแคระที่คล้ายคลึงกันยังไม่พบลายเซ็นการทำลายล้างของสสารมืดที่ชัดเจน

แน่นอนว่าสสารมืดอาจไม่ใช่ Wimp-y หากไม่เป็นเช่นนั้น ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจอย่างหนึ่งก็คือกองกำลังทั้งสี่ของแบบจำลองมาตรฐานไม่ใช่วิธีเดียวที่สสารมืดสามารถโต้ตอบกับสสารธรรมดาได้ แรงอ่อนแรงนั้นอ่อนกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามาก แต่อาจมีอีกแรงที่เรียกว่าแรงอ่อนยิ่งยวดซึ่งไม่มีนัยสำคัญภายใต้สถานการณ์ส่วนใหญ่ ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งที่ไม่น่าเป็นไปได้คือสสารมืดไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารธรรมดาเลย ยกเว้นผ่านแรงโน้มถ่วง หากเป็นกรณีนี้ เช่นเดียวกับ Wimps ความหวังที่ดีที่สุดของเราอาจจะมองหาการทำลายล้างสสารมืด Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) บนสถานีอวกาศนานาชาติกำลังสำรวจท้องฟ้าเพื่อหาอนุภาคพลังงานสูงหรือรังสีคอสมิกและนักวิจัยได้บอกเป็นนัยว่ามีการประกาศเรื่องสสารมืดขนาดใหญ่มาในอีกไม่กี่สัปดาห์ข้างหน้า

แม้ว่าการตรวจจับในเชิงบวกจาก AMS จะไม่เปิดเผยตัวตนที่แท้จริงของสสารมืด แต่อาจช่วยให้เราระบุได้ว่าการค้นหา Wimp ของเราถึงวาระที่จะล้มเหลวหรือไม่ ในท้ายที่สุด จักรวาลอาจต้องการความฉลาดในระดับสูงจากเรา หากเรามีความหวังว่าจะระบุได้ว่าสสารมืดคืออะไร เมื่อเทียบกับสิ่งที่มันทำ แต่ถ้าการค้นหา Higgs boson สอนอะไรเรา เราก็ชอบความท้าทายในการตรวจจับสิ่งที่ดูเหมือนตรวจไม่พบ แม้ว่าจะต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะสำเร็จ

หน้าแรก

เครดิต
https://PermaTea.com
https://10000012.com
https://diable-o-anges.com
https://mhdsvishnumandir.com

Share

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published.