ผลการทดลองเมซอนอาจช่วยไขปริศนาปฎิอนุภาคได้

"ปฎิอนุภาคในจักรวาลหายไปไหนหมด” นี่เป็นหนึ่งในปริศนาคาใจในศาสตร์จักรวาลวิทยาที่ยังไม่มีคำตอบ แต่ตอนนี้ พฤติกรรมของอนุภาคที่เครื่องเร่งอนุภาคที่ญี่ปุ่นอาจช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าใจได้ว่าทำไมเอกภพจึงเต็มไปด้วยสสาร โดยที่ปฏิสสารมีน้อยมากเมื่อเทียบกัน

ตามแบบจำลองของเอกภพที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบัน ปริมาณของสสารและปฎิสสารที่เท่า ๆ กันควรจะเกิดขึ้นหลังบิ๊กแบงไม่นาน หลังจากนั้นสสารกับปฏิสสารก็ควรจะมีอันตรกิริยากันแล้วสลายตัวไปเป็นโฟตอนทั้งหมด อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเอกภพที่เราเห็นในปัจจุบันจึงมีอนุภาคอยู่เป็นส่วนใหญ่ซึ่งแสดงถึงว่าความเข้าใจในฟิสิกส์ของเอกภพยุคเริ่มแรกของพวกเรายังไม่สมบูรณ์

หนึ่งในคำอธิบายเกี่ยวกับการหายไปของปฎิอนุภาคที่เสนอโดย Makoto Kobayashi และ Toshihide Maskawa ในปี 1973 เสนอว่าแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจะมีผลต่ออนุภาคและปฎิอนุภาคต่างกัน โดยความไม่สมมาตรนี้สามารถทำให้เกิดปรากฎการณ์ที่นักฟิสิกส์เรียกว่า Charge-Parity (CP) violation

Babar และ Belle

การสังเกตพบความไม่สมมาตรโคบายาชิ-มาซาคาวา (Kobayashi-Masakawa (KM) asymmetry) ครั้งแรกได้ถูกรายงานในปี 2002 โดยมาจากการศึกษาการสลายตัวของเมซอน K และ B ซึ่งอนุภาคทั้งสองต่างเป็นอนุภาคย่อยกว่าระดับอะตอมที่มีช่วงอายุสั้น โดยประกอบด้วยคู่ของควาร์ก-ปฏิควาร์ก และผลิตขึ้นมาได้จากการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนและโพซิตรอน การตรวจวัดได้ทำขึ้นทั้งที่สถานีทดลองชื่อ Belle ซึ่งตั้งอยู่ที่เครื่องเร่ง KEK-B ในญี่ปุ่นและที่สถานีทดลอง BaBar ที่เคริ่องเร่ง SLAC หรือ Stanford Linear Accelerator ในสหรัฐอเมริกา

อย่างไรก็ตามความไม่สมมาตรที่พบในการทดลองทั้งสองนั้นมีค่าน้อยเกินกว่าที่จะอธิบายถึงการหายไปของปฎิอนุภาคในเอกภพได้

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ที่ Belle ได้สังเกตพบความแตกต่างของระยะเวลาในการสลายตัวของเมซอน B ระหว่างแบบมีประจุกับแบบเป็นกลาง ความแตกต่างของช่วงเวลาในการสลายตัวนี้อาจจะทำให้เกิดความไม่สมมาตรที่เรากล่าวถึง เพิ่มขึ้นได้ การวัดนี้ใช้เวลามากกว่า 6 ปีและเป็นการสังเกตเมซอน B จำนวนถึงราว 535 ล้านตัวซึ่งแต่ละตัวสลายตัวเป็นเมซอน K และเมซอน

สู่ความเข้าใจใหม่

"ความแตกต่างของช่วงเวลานี้สามารถบ่งบอกถึงแหล่งที่ให้ CP violation ซึ่งจำเป็นต่อคำอธิบายของการที่เราพบเห็นเอกภพในปัจจุบันเต็มไปด้วยสสารได้" กล่าวโดย Paoti Chang แห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน หนึ่งในผู้ที่ทำงานร่วมกับแล็บ Belle

ผลการทดลองนี้อาจสืบเนื่องมาจากอนุภาคอายุสั้นที่เราไม่รู้จักชนิดใหม่ซึ่งเกิดขึ้นจากการสลายตัวของเมซอน B แล้วอนุภาคนี้ก็สลายตัวต่อไปอย่างรวดเร็ว ถ้ากระบวนการสลายตัวของเมซอน B มีอนุภาคนี้ผุดขึ้นระหว่างกลางเป็นไปได้ที่จะทำให้ความไม่สมดุลของอนุภาคและปฎิอนุภาคเพิ่มมากขึ้น อีกความเป็นไปได้หนึ่งที่อาจอธิบายความแตกต่างนี้ก็คือการที่การสลายตัวนี้มีแรงนิวเคลียร์แบบเข้มเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย แต่หากเป็นจริง Chang ชี้ว่านี่ก็อาจบ่งบอกได้ว่ามีข้อผิดพลาดในความเข้าใจเรื่องการสลายตัวของเมซอน B

“เพื่อให้เข้าใจว่าความเข้าใจฟิสิกส์ใหม่ ๆ จะเข้ามาเกี่ยวข้องกับผลที่เราพบหรือเปล่า เราจำเป็นจะต้องมีการศึกษาการสลายตัวอื่นๆ เพิ่มเติม” Chang กล่าวและว่า “การทดลองเกี่ยวกับ CP violation ในปัจจุบันยังไม่มีความแม่นยำเพียงพอในการที่จะค้นหาคำตอบว่าข้อสมมติฐานใดถูกต้อง และยังต้องการข้อมูลที่มากกว่าตอนนี้อีกมาก”

นักวิจัยหวังว่าการทดลองในอนาคต เช่นเครื่องชนอนุภาค Large Hadron Collider และ Super B factory ที่ปรับปรุงใหม่แล้วจะช่วยให้พวกเขาพบเหตุผลของการหายไปของปฎิอนุภาค