ปรากฏการณ์ควอนตัมสุดประหลาด เผยความลับภายในนิวเคลียสของอะตอม

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY เครื่องตรวจจับอนุภาค STAR ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องชนไอออนหนักเชิงสัมพัทธ์ RHIC

ทีมนักฟิสิกส์ประจำห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูกเฮเวน (Brookhaven National Laboratory) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เผยผลการทดลองล่าสุด ซึ่งใช้คู่อนุภาคที่แตกต่างกันแต่มีความพัวพันเชิงควอนตัมคู่แรกของโลก มาเป็นเครื่องมือส่องทะลุทะลวงเข้าไปเห็นโครงสร้างภายในนิวเคลียสของอะตอมได้

รายละเอียดของการทดลองข้างต้น ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Science Advances โดยทีมผู้วิจัยระบุว่าคู่อนุภาคไพออน (pion) ที่มีประจุไฟฟ้าต่างกัน (π+ และ π-) สามารถจะมีความพัวพันเชิงควอนตัมระหว่างกันได้ ซึ่งการตรวจวัดมุมและความเร็วของคู่อนุภาคไพออนดังกล่าวที่เกิดขึ้นในการทดลอง สามารถบ่งบอกถึงตำแหน่งการกระจายตัวของอนุภาคกลูออน (gluon) ซึ่งเป็นแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มที่ยึดโยงโปรตอนและนิวตรอนเอาไว้ภายในนิวเคลียสได้

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY
เครื่องตรวจจับอนุภาค STAR ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องชนไอออนหนักเชิงสัมพัทธ์ RHIC

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสของอะตอมนั้น ประกอบไปด้วยควาร์ก (quark) ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานหน่วยย่อยที่เล็กลงไปอีก โดยควาร์กเหล่านี้มีความเสถียรและอยู่รวมกันได้ภายในนิวเคลียสของอะตอม เนื่องจากถูกยึดโยงไว้ด้วยอนุภาคกลูออนนั่นเอง

แต่อนุภาคกลูออนนั้นมีขนาดเล็กมาก จนไม่อาจมองเห็นได้แม้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายสูง ทำให้เราไม่อาจทราบถึงลักษณะการจัดเรียงตัวของโครงสร้างภายในนิวเคลียสได้

อย่างไรก็ตาม กลูออนสามารถทำปฏิกิริยากับโฟตอนหรืออนุภาคของแสง จนให้กำเนิดอนุภาคชนิดหนึ่งที่สลายตัวกลายเป็นไพออนประจุบวกและไพออนประจุลบได้ ซึ่งข้อมูลของคู่อนุภาคไพออนที่พัวพันกันนี้ สามารถนำมาทำแผนที่บอกตำแหน่งของกลูออนในนิวเคลียสได้อย่างละเอียดและแม่นยำ

Advertisment
Getty Images
ภาพจำลองคู่อนุภาคที่มีความพัวพันเชิงควอนตัม

มีการทดลองให้นิวเคลียสของอะตอมทองคำและอะตอมยูเรเนียม พุ่งเฉียดผ่านกันไปด้วยความเร็วสูงโดยไม่ชนปะทะกัน ภายในเครื่องเร่งและชนไอออนหนักเชิงสัมพัทธ์ RHIC ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูกเฮเวน โดยนิวเคลียสของแต่ละธาตุถูกห่อหุ้มไว้ด้วยกลุ่มหมอกโฟตอน

เมื่อโฟตอนที่เป็นแสงโพลาไรซ์ (polarized) จากนิวเคลียสหนึ่ง ทำปฏิกิริยากับกลูออนภายในอีกนิวเคลียสหนึ่ง จะทำให้ทราบถึงตำแหน่งของกลูออน และสร้างแผนที่สองมิติซึ่งบอกถึงการกระจายตัวของกลูออนภายในนิวเคลียสได้

ดร. แดเนียล แบรนเดนเบิร์ก อดีตนักฟิสิกส์ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูกเฮเวนบอกว่า ในอดีตนักวิทยาศาสตร์มักคาดคะเนขนาดนิวเคลียสของอะตอมใหญ่เกินความเป็นจริง เพราะไม่ทราบถึงข้อมูลการกระจายตัวของกลูออนโดยละเอียด

“แต่คราวนี้เราใช้เทคนิคที่เปรียบเสมือนการทำเพ็ตสแกน (PET Scan) ในวงการแพทย์ เพื่อตรวจดูองค์ประกอบภายในของสิ่งที่มีขนาดเล็กระดับเฟมโตเมตร หรือหนึ่งในพันล้านล้านส่วนของหนึ่งเมตร ซึ่งก็คือขนาดของโปรตอนนั่นเอง”

Advertisment

“ภาพของแผนที่โครงสร้างภายในนิวเคลียสที่ได้คราวนี้จึงมีความแม่นยำสูงขึ้น จนเราเริ่มเห็นความแตกต่างระหว่างตำแหน่งของโปรตอนกับนิวตรอนได้แล้ว” ดร. แบรนเดนเบิร์กกล่าวสรุป

อย่างไรก็ตามทีมผู้วิจัยยังไม่ทราบชัดว่า เหตุใดคู่อนุภาคไพออนในการทดลองที่มีประจุไฟฟ้าต่างกัน จึงเกิดความพัวพันเชิงควอนตัม (quantum entanglement) ระหว่างกัน ทั้งยังไม่ทราบว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไรกันแน่

แนวคิดเรื่องความพัวพันเชิงควอนตัมระบุว่า คู่อนุภาคซึ่งมีความพัวพันกันจะมีปฏิกิริยาตอบสนองตามกันในทันทีที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับอนุภาคใดอนุภาคหนึ่ง ไม่ว่าทั้งสองจะอยู่ในตำแหน่งที่ห่างกันไปเท่าใดก็ตาม ซึ่งปัจจุบันแนวคิดนี้ถูกนำมาใช้พัฒนาระบบสื่อสารทางไกลด้วยควอนตัม

ข่าว บีบีซี ไทย ที่เผยแพร่ในเว็บไซต์ ประชาชาติธุรกิจ เป็นความร่วมมือของสององค์กรข่าว