ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค
ความนิยมของผู้ชม: / 9
แย่มากดีมาก 

 

THE STORY OF THE STANDARD MODEL OF PARTICLE PHYSICS ว่าทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค

           ปริศนาที่ว่าสรรพสิ่งรอบๆ ตัวของเราประกอบขึ้นมาจากอะไรกันแน่ เป็นหนึ่งในคำถามที่เก่าแก่ที่สุดของมนุษยชาติ นักปราชญ์หลายต่อหลายคนได้ขบคิดปัญหานี้มานานนับศตวรรษ และเมื่อร้อยกว่าปีที่แล้ว วิทยาศาสตร์ได้เปลี่ยนคำถามนี้จากคำถามเชิงปรัชญามาเป็นสิ่งที่สามารถตรวจสอบได้ด้วยการทดลอง ทฤษฎีปัจจุบันที่เราใช้อธิบายองค์ประกอบของสิ่งต่างๆ รอบตัวเรามีชื่อเรียกว่า แบบจำลองมาตรฐาน หรือ Standard model มันบอกเราว่าสสารประกอบขึ้นมาจาก ควาร์ก และ เล็ปตอน (ตารางที่ 2) และยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์ (ตารางที่ 1) โดยอธิบายกลไกการเกิดแรงไว้อย่างชัดเจน นอกจากนั้นแล้วมันยังอธิบายว่าอนุภาคต่างๆ มีมวลสารได้อย่างไร ซึ่งเกี่ยวข้องกับอนุภาคฮิกส์ที่นักฟิสิกส์กำลังค้นหากันอยู่ในขณะนี้ และกลไกการเกิดมวลนี้เองที่ช่วยอธิบายว่าทำไมแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนถึงมีอิทธิพลในระดับนิวเคลียสเท่านั้น

           แต่กระนั้นใช่ว่าการค้นพบอนุภาคฮิกส์จะทำให้แบบจำลองนี้สมบูรณ์ ยังมีปริศนาที่ให้นักฟิสิกส์ต้องขบคิด และสร้างทฤษฎีใหม่ขึ้นมาเพื่ออธิบาย แต่ก่อนที่จะไปพิจารณาปริศนาเหล่านั้น บทความนี้จะพาเราย้อนกลับไปดูพัฒนาการทางฟิสิกส์ทฤษฎีซึ่งนำมาสู่แบบจำลองมาตรฐานที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน

                                

ทฤษฎีสนามควอนตัม กับ โลกของอะตอม

           อันที่จริงแล้วความสำเร็จของแบบจำลองมาตรฐาน คือความสำเร็จของทฤษฎีที่สำคัญที่สุดอันหนึ่งในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ นั่นคือทฤษฎีสนามควอนตัม มันเป็นทฤษฎีที่สามารถรวมเอาอิทธิพลของควอนตัมฟิสิกส์และทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษเข้าไว้ด้วยกันได้ ถ้าจะว่าไปแล้วประวัติของแบบจำลองมาตรฐาน ก็คือเรื่องราวเกี่ยวกับการพัฒนาการของทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory) นั่นเอง

           ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกลศาสตร์ควอนตัม ดูเหมือนจะถูกแบ่งแยกออกจากกันอย่างชัดเจน เพราะอิทธิพลของสัมพัทธภาพพิเศษจะปรากฏให้เราเห็นก็ต่อเมื่อผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเข้าใกล้อัตราเร็วของแสงในขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมควบคุมพฤติกรรมของโลกในระดับจุลภาค อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์จำเป็นที่จะต้องรวมทฤษฎีพื้นฐานทั้งสองทฤษฎีนี้เข้าเป็นหนึ่งเดียว เพราะการศึกษาอนุภาคพลังงานสูงที่ซ่อนตัวอยู่ภายในนิวเคลียสของอะตอมจำเป็นที่จะต้องพิจารณาโดยอาศัยทั้งสองทฤษฎีพร้อมๆ กัน นักฟิสิกส์ต้องกลับมานั่งขบคิดว่าทำอย่างไรให้พวกมันสามารถใช้งานรวมกันได้อย่างสอดคล้องสมดุล ความพยายามแรกๆ ที่จะรวมสมการทั้งสองเข้าด้วยกันโดยตรงไม่ประสบความสำเร็จ แต่ด้วยความทุ่มเทศึกษาวิจัยของนักฟิสิกส์หลายๆ คน ในที่สุดแนวทางใหม่ที่สมบูรณ์กว่า ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อของ ทฤษฎีสนามควอนตัม ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น

           แนวคิดเรื่องสนามเป็นแกนหลักของกฎทางฟิสิกส์สมัยใหม่นั้นสามารถย้อนกลับไปได้ถึงยุคของนักฟิสิกส์ ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michel Faraday) สนามแม่เหล็กเป็นสิ่งที่สามารถแสดงให้เห็นได้ชัดเจนที่สุด ฟาราเดย์ได้ค้นพบสนามอีกชนิดหนึ่ง นั่นคือ สนามไฟฟ้า ซึ่งต่อมาแมกซ์เวลล์ได้ค้นพบรูปแบบภาษาคณิตศาสตร์ที่แสดงให้เห็นว่าสนามทั้งสองถักทอเข้าเป็นสิ่งเดียวกันและมีชื่อเรียกใหม่คือ สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะทำหน้าที่ส่งผ่านอิทธิพลของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปทั่วจักรวาล 

              

           
    ทฤษฎีควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกส์อธิบายการผลักกันของอิเล็กตรอนเนื่องจากมีการแลกเปลี่ยนแสงระหว่างกัน

           สนามได้สร้างกระบวนการคิดที่สำคัญสำหรับฟิสิกส์ยุคใหม่ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าอาจจะเป็นตัวอย่างของสนามในธรรมชาติที่ง่ายและแพร่หลายที่สุด เพราะทุกวันนี้เรากำลังแหวกว่ายอยู่สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทั้งจากสัญญาณโทรทัศน์และแสงจากดวงอาทิตย์ กลศาสตร์ควอนตัมบอกให้เราทราบว่า โฟตอน เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสนามแม่เหล็ก และด้วยความเข้าใจจากทฤษฎี ควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกส์ (Quantum Electrodynamics หรือ QED) ซึ่งพัฒนาขึ้นโดย ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) จูเลียน ชวิงเกอร์ (Julian Schwinger) และ ชินอิโร โทโมนากะ (Shin-Itiro Tomonaga) เราพบว่าการที่อิเล็กตรอนและโปรตอนดึงดูดกันได้ เนื่องจากทั้งคู่แลกเปลี่ยนแสงซึ่งกันและกัน แสงเป็นผู้นำข้อมูลของอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าจากโปรตอน ไปบอกอิเล็กตรอนในมันเคลื่อนที่ไปตามอิทธิพลแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้บางครั้งโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคของแสงจึงถูกมองว่าเป็นอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
 

แรง  อนุภาคสื่อนำแรง มวล
นิวเคลียร์แบบเข้ม กลูออน 0
แม่เหล็กไฟฟ้า โฟตอน  0
นิวเคลียร์แบบอ่อน W, Z 86, 97
โน้มถ่วง กราวิตอน 0

  <>

แรง 

อนุภาคสื่อนำแรง มวล
นิวเคลียร์แบบเข้ม กลูออน 0
แม่เหล็กไฟฟ้า โฟตอน  0
นิวเคลียร์แบบอ่อน W, Z 86, 97
โน้มถ่วง กราวิตอน 0

ตารางที่ 1 แสดงแรงธรรมชาติทั้งสี่พร้อมกับอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรง และมวลของอนุภาคเป็นจำนวนเท่าของมวลโปรตอน (อันที่จริงแล้วอนุภาค W มีอยู่สองชนิด ชนิดที่มีประจุไฟฟ้าบวกและชนิดที่มีประจุไฟฟ้าลบ ทั้งคู่มีมวลเท่ากัน เพื่อความสะดวกเราจะละเลยรายละเอียดนี้เสียและกล่าวถึงทั้งสองชนิดโดยเรียกว่าอนุภาค W ในทำนองเดียวกันแท้จริงแล้วกลูออนมีอยู่ด้วยกัน 8 ชนิด แต่เราจะเรียกพวกมันอย่างรวมๆ ว่า กลูออน เพื่อความสะดวก)

           แรงโน้มถ่วงก็เป็นสิ่งที่เราคุ้นเคยเพราะมันทำหน้าที่ยึดตัวเราและทุกๆ สิ่งรอบตัวเราให้ติดอยู่กับพื้นโลกตลอดเวลา นักฟิสิกส์เชื่อว่า กราวิตอน เป็นอนุภาคซึ่งเป็นองค์ประกอบของสนามโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามกราวิตอนยังไม่ถูกตรวจพบด้วยการทดลอง และเรามักจะตัดมันออกจากการพิจารณาเวลาที่ศึกษาอนุภาคภายในอะตอม เหตุผลหนึ่งเป็นเพราะแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีความเข้มน้อยที่สุดในบรรดาแรงธรรมชาติทั้งหมด นอกเหนือจากแรงทั้งสองชนิดนี้ที่เราคุ้นเคยกันดี ยังมีแรงอีกสองชนิดในธรรมชาติ นั่นคือแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม และ แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน สนามที่แผ่อิทธิพลของพวกมันมีชื่อเรียกว่า สนามหยาง-มิลส์ ซึ่งตั้งชื่อตาม ซี เอ็น หยาง (Chen Ning Yang) และ โรเบิร์ต มิลส์ (Robert Mills) สองนักฟิสิกส์ผู้พัฒนาทฤษฎีของพวกเขาขึ้นมาในช่วงทศวรรษที่ 1950 และเหมือนกับที่เราเชื่อว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบขึ้นมาจากโฟตอน และเชื่อว่าสนามโน้มถ่วงประกอบขึ้นมาจากกราวิตอน แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนและแบบเข้มก็มีอนุภาคพื้นฐานของมันเช่นกัน อนุภาคของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มมีชื่อว่า กลูออน ส่วนอนุภาคของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนมีชื่อว่า อนุภาคดับเบิลยู (W) และ อนุภาคซี (Z) การมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยเครื่องเร่งอนุภาค ในประเทศเยอรมัน และ สวิสเซอร์แลนด์ ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1970 และต้นทศวรรษที่ 1980

       
           

    
ตารางที่ 2 แสดงครอบครัวทั้งสามของอนุภาคพื้นฐานรวมถึงประจุไฟฟ้ามวลของพวกมัน (เป็นจำนวนเท่าของประจุและมวลโปรตอน) ปัจจุบันเราทราบว่านิวตริโนมีมวลที่ไม่เป็นศูนย์ แต่การทดลองยังไม่สามารถยืนยันค่าของมันได้อย่างแน่นอน

           แนวคิดเรื่องสนามสามารถประยุกต์ใช้กับสสารได้เช่นเดียวกัน กล่าวคือเราสามารถมองว่าคลื่นความน่าจะเป็นของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นเหมือนกับสนามที่ครอบคลุมทั่วทั้งอวกาศ และมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับบางสิ่งที่เรียกกันว่า สนามอิเล็กตรอน คล้ายกับกรณีที่โฟตอนเป็นองค์ประกอบที่เล็กสุดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในกรณีนี้อิเล็กตรอนก็เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสนามอิเล็กตรอน ในขอบเขตของทฤษฎีสนามควอนตัม อนุภาคทุกชนิดจะมองว่าเป็นสถานะกระตุ้นของสนามพื้นฐานที่สอดคล้องกับอนุภาคชนิดนั้น ในมุมมองนี้สสารทั้งหมดและแรงทุกชนิดในธรรมชาติจะถูกอธิบายด้วยภาษาของกลศาสตร์ควอนตัมอย่างเท่าเทียมกัน

             


              โรเบิร์ต โบรต, ฟรองซัวส์ อองแกรต์ และ ปีเตอร์ ฮิกส์ ผู้ค้นพบกลไกการเกิดมวลของอนุภาค

           หลังจากที่ได้อธิบายทั้งสนามของสสารและสนามของแรงไปแล้ว คุณอาจจะคิดว่าเราครอบคลุมทุก ๆ สิ่งในธรรมชาติไว้ทั้งหมดแล้ว แต่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่ายังมีสนามชนิดที่สาม ซึ่งแม้ว่าจะยังไม่ได้ถูกตรวจพบด้วยการทดลอง แต่ในช่วงเวลายี่สิบปีที่ผ่านมากลับมีบทบาทสำคัญอย่างมากทั้งในสาขาจักรวาลวิทยาและในสาขาฟิสิกส์อนุภาค สนามนี้มีชื่อเรียกว่า สนามฮิกส์ ซึ่งตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ ปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) นักฟิสิกส์ชาวสก๊อต เป็นที่เชื่อว่าอวกาศจะปกคลุมด้วยสภาวะสุญญากาศของสนามฮิกส์ที่แผ่ขยายไปทั่วทั้งเอกภพ มันเป็นเศษซากที่เย็นตัวแล้วซึ่งหลงเหลือมาจากยุคบิ๊กแบง และมีบทบาทสำคัญกับสมบัติสำคัญหลาย ๆ อย่างของอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งประกอบขึ้นมาเป็นตัวคุณและตัวผม รวมไปถึงสิ่งอื่น ๆ ที่เราพบเห็นอีกด้วย แม้ว่าสนามฮิกส์จะตั้งชื่อตาม ปีเตอร์ ฮิกส์ แต่นักฟิสิกส์หลายๆ คน เช่น โรเบิร์ต โบรต (Robert Brout) และ ฟรองซัวส์ อองแกรต์ (Francois Englert) ล้วนมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแนวคิดนี้ ในปี ค.ศ. 2004 โบรต อองแกรต์ และ ฮิกส์ ได้รับรางวัล  Wolf  prize in Physics  ซึ่งเป็นรางวัลที่มีความสำคัญเป็นอันดับสองรองจากรางวัลโนเบล เนื่องจากการที่พวกเขาค้นพบ กลไกฮิกส์ หรือที่ปัจจุบันเรียกว่า กลไกโบรต-อองแกรต์-ฮิกส์ (Brout-Englert-Higgs mechanism) ซึ่งเป็นกลไกที่ให้มวลสารแก่อนุภาคต่างๆ และเช่นเดียวกับที่โฟตอนเป็นอนุภาคของสนามไฟฟ้า อนุภาคฮิกส์เป็นตัวแทนของสนามฮิกส์ นักฟิสิกส์คาดว่าเราจะตรวจพบมันจากเครื่องเร่งอนุภาคที่  CERN  ภายในไม่กี่ปีข้างหน้านี้แน่นอนว่าถ้าหากมีการค้นพบอนุภาคฮิกส์ซึ่งเป็นจิ๊กซอว์ตัวสุดท้ายของแบบจำลองมาตรฐานแล้วละก็นักฟิสิกส์ทั้งสามคนนี้จะได้รับรางวัลโนเบลที่กรุงสต๊อกโฮมอย่างไม่ต้องสงสัย

                            

สมมาตร กับ แรงธรรมชาติ และ มวลของอนุภาคมูลฐาน

           สมมาตรเข้ามามีบทบาทอย่างมากในวิชาฟิสิกส์ นักวิทยาศาสตร์ทราบกันมานานแล้วว่ากฎเกณฑ์ต่างๆ ที่เราพบในธรรมชาติล้วนมีสมมาตรกำกับอยู่เบื้องหลัง สมมาตรคือการที่ระบบหรือกฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์ไม่มีการเปลี่ยนแปลงภายใต้การกระทำอย่างใดอย่างหนึ่ง ยกตัวอย่างเช่น ทรงกลมมีสมมาตรภายใต้การหมุน เพราะไม่ว่าคุณจะหมุนทรงกลมรอบแกนใดๆ หรือเป็นมุมเท่าไหร่ก็ตาม หลังจากการหมุนคุณไม่สามารถสังเกตได้ว่ามีการกระทำใดๆ เกิดขึ้นกับทรงกลมนี้ก่อนหน้านั้น นักฟิสิกส์ทราบกันมานานแล้วว่า สมมาตรภายใต้การเลื่อนตำแหน่งเป็นผลทำให้ระบบทางฟิสิกส์มีการอนุรักษ์โมเมนตัม สมมาตรภายใต้การหมุนเป็นผลให้ระบบทางฟิสิกส์มีการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม และสมมาตรภายใต้การเลื่อนไปในเวลาเป็นผลให้เกิดการอนุรักษ์พลังงาน และในยุคของควอนตัมฟิสิกส์สมมาตรยิ่งเข้ามามีบทบาทสำคัญขึ้นเรื่อยๆ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ล้วนมีสมมาตรกำกับอยู่ เป็นสมมาตรในเชิงนามธรรมที่เรียกว่า สมมาตรเกจ ซึ่งเข้าใจยากกว่าสมมาตรของแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นสมมาตรระหว่างเวลาและอวกาศ

           แม้ว่าสมมาตรจะเป็นสิ่งสำคัญ แต่เอกภพของเราไม่ได้แสดงมันออกมาอย่างชัดแจ้ง เรายังต้องการความเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีที่มีความสมมาตรกับธรรมชาติรอบตัวที่เต็มไปด้วยความไม่สมมาตร ความไม่สมบูรณ์และความบิดเบี้ยวของสมมาตรเหล่านี้ต่างหากที่ทำให้ธรรมชาติรอบตัวเรามีความน่าสนใจ การที่สมมาตรเหล่านั้นมีการบิดเบี้ยวไม่สมบูรณ์แบบ นักฟิสิกส์จะบอกว่าสมมาตรนั้นถูกทำลาย  ทฤษฎีฟิสิกส์ที่อธิบายธรรมชาตินั้นนอกจากจะต้องตั้งอยู่บนพื้นฐานของสมมาตรทางคณิตศาสตร์ที่สวยงาม ยังจะต้องมีกลไกในการทำลาย หรืออย่างน้อยก็ต้อง “ซ่อน” สมมาตรนั้นไว้ เพื่อที่จะได้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ รอบๆ ตัวเรา แนวคิดเรื่อง กลไกโบรต-อองแกรต์-ฮิกส์ ซึ่งทำหน้าที่สร้างมวลให้กับอนุภาคนั้น ตั้งอยู่บนปรากฏการณ์ที่เรียกกันว่า การทำลายสมมาตรด้วยตนเอง หรือ Spontaneous symmetry breaking ซึ่ง โยอิชิโร นัมบุ (Yoichiro Nambu) ได้ทำการศึกษาปรากฏการณ์นี้ในระบบของฟิสิกส์อนุภาคเมื่อปี ค.ศ. 1960 และเป็นผลงานนี้เองที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2008

           เราสามารถพบการทำลายสมมาตรด้วยตนเองได้ในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างคลาสสิกอันหนึ่งก็คือ แท่งดินสอที่ตั้งโดยเอาปลายแหลมวางไว้บนพื้นโต๊ะ จะอยู่ในสภาพที่มีสมมาตร เพราะทุกๆ ทิศทางรอบๆ แท่งดินสอจะดูเหมือนๆ กันไม่ว่าจะมองจากทิศทางใดก็ตาม แต่สมมาตรดังกล่าวจะหายไปเมื่อแท่งดินสอล้มลงไปวางบนพื้น ในกรณีหลังนี้แท่งดินสอได้เลือกที่จะล้มลงในทิศทางเฉพาะ มีทิศทางหนึ่งที่พิเศษกว่าทิศทางอื่นๆ ระบบทางฟิสิกส์ของแท่งดินสอได้ลงมาอยู่ในสถานะที่มีพลังงานต่ำสุดแล้ว มันไม่สามารถที่ล้มลงไปได้อีก ระบบจึงมีเสถียรภาพที่สภาวะพลังงานต่ำสุดนี้

                 

   
             ตัวอย่างการทำลายสมมาตรด้วยตัวเองที่พบได้ในชีวิตประจำวัน (ภาพจากเว็บไซต์รางวัลโนเบล)

           นักฟิสิกส์เรียกสภาวะที่มีพลังงานต่ำสุดนี้ว่า สภาวะสุญญากาศ  (Vacuum state) แม้ว่าชื่อของมันอาจทำให้เราคิดว่าสภาวะสุญญากาศคือสภาวะที่ว่างเปล่าไม่มีสิ่งใดอยู่เลย แต่อันที่จริงแล้วควอนตัมฟิสิกส์บอกเราว่า สภาวะสุญญากาศเต็มไปด้วยการสั่นทางควอนตัม มีอนุภาคถูกสร้างและทำลายไปอยู่ตลอดเวลา นัมบุมองเห็นความจริงที่ว่า สภาวะสุญญากาศซึ่งเป็นสภาวะที่มีพลังงานต่ำที่สุดของระบบ อาจจะไม่ใช่สภาวะที่มีสมมาตรมากที่สุด เปรียบเทียบได้กับกรณีของแท่งดินสอที่ล้มลงบนโต๊ะ สมมาตรของระบบสนามควอนตัมอาจจะถูกทำลายไป เนื่องจากมีการเลือกรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งของสนามในสภาวะสุญญากาศ

           นักฟิสิกส์เชื่อว่ากระบวนการทำลายสมมาตรด้วยตัวเองของสนามฮิกส์ สามารถตอบคำถามที่ว่า อนุภาคต่างๆ มีมวลสารได้อย่างไร เป็นที่เชื่อกันว่าภายหลังจากบิ๊กแบงเมื่อเอกภพถือกำเนิดขึ้นใหม่ๆ นั้น อนุภาคทุกตัวจะมีมวลเป็นศูนย์ เอกภพมีความเป็นสมมาตรสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีสมมาตรที่เรียกว่า สมมาตรอิเล็กโตรวีค หรือ  Electroweak symmetry  ซึ่งแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจะยังไม่ได้แยกออกจากกัน ในความหมายที่ว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน แต่สนามฮิกส์ไม่มีความเสถียรเหมือนกับแท่งดินสอที่พร้อมจะล้มลงได้ทุกขณะเวลา เมื่อเอกภพขยายตัวและเย็นลง สนามฮิกส์จะลดพลังงานลงเข้าสู่สภาพที่มีพลังงานต่ำที่สุด หรือสภาวะสุญญากาศ เหมือนกับแท่งดินสอที่ล้มลงบนพื้นโต๊ะ อย่างไรก็ตามสุญญากาศของสนามฮิกส์ไม่ได้มีแต่ความว่างเปล่า ค่าของสนามมิได้มีค่าเป็นศูนย์ สุญญากาศของสนามฮิกส์กระจายตัวอยู่ทั่วทั้งจักรวาล เหมือนกับว่าทั้งเอกภพจมอยู่ภายใต้มหาสมุทรฮิกส์ อนุภาคทุกชนิดที่เคลื่อนที่อยู่ในเอกภพจะมีอันตรกริยากับสุญญากาศฮิกส์นี้ มหาสมุทรฮิกส์นี้ทำตัวเหมือนของเหลวเหนียวๆ เช่น กากน้ำตาล (syrup)  ซึ่งจะทำให้การเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของอนุภาคทำได้ยากลำบาก อย่าลืมว่าสภาพการต้านการเปลี่ยนสภาวะการเคลื่อนที่ก็คือมวลสารของอนุภาคนั่นเอง อนุภาคแต่ละชนิดมีอันตรกริยากับสนามฮิกส์ แตกต่างกันไป มวลสารของอนุภาคแต่ละชนิดจึงแตกต่างกัน ในจำนวนนี้โฟตอน กลูออน และกราวิตอน ไม่ได้ถูกขัดขวางโดยมหาสมุทรฮิกส์ พวกมันจึงสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและมีมวลเป็นศูนย์ ในขณะที่อนุภาคดับเบิลยูและซีจะมีมวลแตกต่างกันออกไป  ซึ่งเมื่อถึงจุดนี้อนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์จะแตกต่างกับอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า สมมาตรอิเล็กโตรวีคได้ถูกทำลายลงไปโดยกลไกการทำลายสมมาตรด้วยตัวเอง

           การที่อนุภาคดับเบิลยูและซีมีมวลที่ไม่เป็นศูนย์ทำให้นักฟิสิกส์สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนถึงมีอิทธิพลในระยะทางสั้นๆ ระดับอะตอม เพราการที่มันมีมวลทำให้มันไม่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกล ซึ่งต่างจากโฟตอนและกราวิตอนที่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ทั่วทั้งเอกภพ (ส่วนกลูออนสถานการณ์จะซับซ้อนกว่านี้ ซึ่งจะอธิบายในหัวข้อต่อไป) ถ้าปราศจากทฤษฎีสนามและกระบวนการทำลายสามารถด้วยตนเอง ระยะอิทธิพลของแรงนิวเคลียร์จะเป็นสิ่งที่อธิบายได้ลำบากมาก

                                         

แบบจำลองมาตรฐานในยุคแรกเริ่ม

           ในยุคก่อนหน้าปี ค.ศ. 1970 การทดลองทางฟิสิกส์อนุภาคได้แสดงให้เห็นถึงความจริงหลายประการ อนุภาคต่างๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นสสารดูเหมือนจะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทได้แก่ เล็ปตอน (lepton) และ ฮาดรอน (hadrons) ในขณะนั้นเล็ปตอนที่นักฟิสิกส์รู้จักมีเพียง อิเล็กตรอน มิวออน และ อนุภาคนิวตริโนที่เป็นคู่ของพวกมัน ซึ่งในขณะนั้นเชื่อว่ามีนิวตริโนมีมวลนิ่งเท่ากับศูนย์ (ส่วนเทาว์ ซึ่งเป็นเล็ปตอนอีกตัวหนึ่งนั้นยังไม่มีการค้นพบ) สำหรับฮาดรอน ยังแบ่งออกได้เป็น เมซอน (meson) ซึ่งประกอบขึ้นจากควาร์กและแอนติควาร์ก กับ บารีออน (baryon)  ซึ่งประกอบขึ้นจากควาร์กสามตัวหรือแอนติควาร์กสามตัว แม้ว่าจะมีการค้นพบสมมาตรบางอย่างระหว่างอันตรกริยาของอนุภาคระดับปรมาณูเหล่านี้ ซึ่งชี้ให้เห็นถึงสมบัติสำคัญบางอย่างของแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม แต่ความพยายามพยายามที่จะทำความเข้าใจกลไกเหล่านั้นก็ยังไม่เป็นรูปธรรมมากนัก  ก่อนหน้านี้เทคนิคของทฤษฎีสนามควอนตัมสามารถใช้ได้ดีกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งผลการทำนายจากทฤษฎีควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกส์ต่างได้รับการยืนยันจากการทดลองที่ละเอียดรัดกุม  และเป็นเวลาเกือบห้าสิบปีที่นักฟิสิกส์พยายามที่จะประยุกต์ใช้เทคนิคเดียวกันนี้เพื่ออธิบายแรงธรรมชาติชนิดอื่นๆ ด้วยกฎของกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพพิเศษ อุปสรรคสำคัญอันหนึ่งของทฤษฎีสนามควอนตัมก็คือ ที่ระดับพลังงานสูงมากๆ สมการของทฤษฎีสนามหลายๆ อันให้คำตอบที่เป็นค่าอนันต์ ทฤษฎีจะสูญเสียความน่าเชื่อถือในการทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่มีความเข้มของอันตรกริยาสูง นักฟิสิกส์ต้องรอจนถึงทศวรรษที่  1970  จึงจะเข้าใจปัญหาและสามารถขจัดความผิดปกตินี้ได้ และทฤษฎีสนามควอนตัมจึงได้แสดงอนุภาพของมันออกมาได้อย่างเต็มที่

           อย่างไรก็ตามอุปสรรค์นี้ไม่ได้เป็นปัญหามากนักในกรณีที่แรงมีความเข้มไม่มาก และนั่นเป็นเหตุผลที่ทำให้แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีสนามซึ่งมีสมมาตรเกจชนิดใหม่ ซึ่งถูกเสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1954 โดย ซี เอ็น หยาง และ โรเบิร์ต มิลส์ ซึ่งทั้งคู่ได้แรงบันดาลใจมาจากความจริงที่ว่าแรงธรรมชาติสองแรงที่พบก่อนหน้านี้คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วง ตั้งอยู่บนหลักการของสมมาตรเกจแบบเฉพาะตำแหน่ง (local gauge symmetry) ซึ่งเป็นการกระทำที่ทำในอาณาบริเวณใดบริเวณหนึ่งของกาลอวกาศโดยไม่มีผลกระทบต่ออาณาบริเวณอื่นๆ ถ้าจะอธิบายอย่างคร่าวๆ ก็คือ สนามหยาง–มิลส์ เป็นการขยายหลักการของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แมกซ์เวลล์ค้นพบในศตวรรษก่อนหน้านั้น ในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าอิเล็กตรอนมีอันตรกริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้เนื่องจากมันมีประจุไฟฟ้า แต่ตามทฤษฎีของหยาง และมิลส์ อนุภาคอาจจะมีประจุอื่นที่ไม่ใช่ประจุไฟฟ้า และทำให้มันสามารถมีอันตรกริยากับสนามหยาง-มิลส์ได้ ซึ่งนอกจากจะทำให้มันมีความเร่งภายใต้สนามหยาง–มิลส์ได้แล้ว ยังทำให้มันเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคชนิดอื่นได้อีกด้วย นี่ช่วยอธิบายปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนไปเป็นนิวตริโน หรือ การที่โปรตอนเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอนในอันตรกริยานิวเคลียร์แบบอ่อน

             

                  
      แผนภาพไฟยน์แมน แสดงอันตริกริยาแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน มิวออนสลายตัวให้อิเล็กตรอนและนิวตริโน

           และเมื่อ โบรต อองแกรต์ และ ฮิกส์ ค้นพบว่าโครงสร้างของสถานะที่มีพลังงานต่ำสุดของระบบสนามสามารถปรับแต่งได้โดยการนำเอาสนามของอนุภาคฮิกส์เข้ามาพิจารณา  ทฤษฎีซึ่งเป็นการรวมอนุภาคฮิกส์เข้ากับระบบสนามหยาง-มิลล์ ก็สามารถนำมาใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนได้อย่างสมเหตุสมผล อิทธิพลของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจะถูกส่งผ่านโดยอนุภาคดับเบิลยู (W) และ อนุภาคแซท (Z)  อนุภาคควอนตัมของสนามหยาง–มิลล์ ธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนที่มีอิทธิพลในระยะทางสั้นๆ ในระดับนิวเคลียส สามารถอธิบายได้ด้วยปรากฏการณ์ที่อนุภาคดับเบิลยู และแซท ได้รับมวลสารผ่านกลไกโบรต-อองแกรต์-ฮิกส์ การที่อนุภาคสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนมีมวล ทำให้มันไม่สามารถแผ่อิทธิพลไปได้ไกลจนสุดขอบเอกภพแบบแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง ซึ่งเราในแบบจำลองมาตรฐานนั้น โฟตอน และ กราวิตอนมีมวลเป็นศูนย์ และนั้นเป็นแบบจำลองที่นักฟิสิกส์ใช้ในการอธิบายแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ซึ่งถูกเสนอโดย เชลดอน กลาสเชาว์ (Sheldon Glashow) อับดุล ซาลาม (Abdus Salam) และสตีเวน ไวน์เบอร์ก (Steven Weinberg)  เสนอไว้ในช่วงทศวรรษที่ 1960
                  


          เชลดอน กลาสเชาว์, อับดุล ซาลาม และสตีเวน ไวน์เบอร์ก ในพิธีรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์


                         

เจ้าชายกบ รีนอร์มาไลเซชัน และ รงค์พลศาสตร์ควอนตัม

           แม้ว่าแบบจำลองของ กลาสเชาว์ ซาลาม และ ไวน์เบอร์ก จะประสบความสำเร็จในการอธิบายแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน แต่ปัญหาทางเทคนิคของทฤษฎีสนามควอนตัมซึ่งอยู่เบื้องหลังแบบจำลองนี้ก็ยังไม่ได้รับการแก้ไข นั่นคือปัญหาเกี่ยวกับสมการของทฤษฎีสนามที่ให้คำตอบที่เป็นค่าอนันต์เมื่อพิจารณาในขอบเขตที่มีพลังงานสูง เทคนิคมาตรฐานที่ใช้แก้ปัญหาความไม่ปกตินี้มีชื่อเรียกว่า “การทำให้เป็นปกติอีกครั้ง” หรือ “รีนอร์มาไลเซชัน” (Renormalization) ซึ่งเป็นกระบวนการทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นในการแยกพจน์ทางคณิตศาสตร์ซึ่งมีค่าเป็นอนันต์ที่ปรากฏในสมการของทฤษฎีสนาม ออกจากมวลและประจุจริงๆ ของอนุภาคซึ่งเป็นค่าจำกัดและสามารถวัดได้จากการทดลอง ค่าของตัวแปรที่ปรากฏในพจน์คณิตศาสตร์เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับมาตราส่วนเล็กที่สุดที่ทฤษฎีสามารถอธิบายได้ เช่น ถ้าทฤษฎีเหล่านั้นอธิบายได้ถึงมาตราส่วนระยะทางที่เป็นศูนย์ ค่าของพจน์ดังกล่าวก็จะมีค่าเป็นอนันต์ เราจึงจำเป็นที่จะต้องมีพจน์อันตรกริยาที่มีค่าเป็นอนันต์ เพื่อหักล้างกับ อันตรกริยาจากตัวเองของระบบสนาม แต่ขั้นตอนทางคณิตศาสตร์ที่จะทำการหักล้างแรงที่เป็นอนันต์ ด้วยแรงที่เป็นค่าอนันต์อีกอันนี้จำเป็นที่จะต้องกระทำด้วยความระมัดระวังและรัดกุม

           ในตอนสร้างแบบจำลองซึ่งใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนนั้น ทั้งซาลาม และ ไวน์เบอร์ก ต่างอ้างว่าปัญหาทางเทคนิคในทฤษฎีของพวกเขาน่าจะแก้ไขได้ด้วยวิธีการรีนอร์มาไลเซชั่นด้วยเช่นกัน แต่พวกเขาไม่ได้ทำการพิสูจน์ไว้ ในอีกไม่กี่ปีให้หลังคือ ค.ศ. 1971 มาร์ติอุส เวลท์แมน (Martinus Veltman) และ เจอราจด์ ทูฟ (Gerard ‘t Hooft) จึงได้ทำการพิสูจน์ว่าเทคนิคนี้สามารถนำมาใช้กับระบบที่มีการสลายสมมาตรด้วยตัวเองอย่างแบบจำลองมาตรฐานได้ งานวิจัยนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถเชื่อถือผลการคำนวณจากแบบจำลองมาตรฐานได้ ความสำคัญของงานวิจัยนี้สามารถอธิบายได้จากคำพูดของนักฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียง ซิดนีย์ โคล์แมน (Sydney Coleman) ซึ่งได้กล่าวไว้ว่า “งานของทูฟได้ทำให้กบตัวน้อยของซาลามและไวน์เบอร์ก กลายเป็นเจ้าชายรูปงามขึ้นมาในทันใด” และเจ้าชายรูปงามนี้ก็ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง เพราะแบบจำลองนี้สามารถทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้สอดคล้องกับการทดลองอย่างน่าทึ่ง  ทฤษฎีสนามควอนตัมก็ได้กลับมาเป็นที่นิยมอีกครั้งในหมู่นักฟิสิกส์

            รีนอร์มาไลเซชันไม่เพียงแต่แก้ปัญหาทางเทคนิคของทฤษฎีสนามเท่านั้น แต่มันยังช่วยให้นักฟิสิกส์ทราบว่าจะศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคในมาตราส่วนที่เล็กมากๆ ได้อย่างไร พวกเขาอาศัยแนวคิดที่เรียกกันว่า รีนอร์มาไลเซชันกรุ๊ป (renormalization group) สมการของรีนอร์มาไลเซชันกรุ๊ป จะบอกนักฟิสิกส์ว่าความเข้มของแรงชนิดต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อระบบมีพลังงานสูงขึ้น
 
         

           
           แผนภาพของไฟยน์แมนแสดงอนุภาคโฟตอนสลายตัวเกิดเป็นคู่อิเล็กตรอนและโพสิตรอน จะสลายตัวกลับไปเป็นโฟตอนในเวลาอันรวดเร็ว ความเข้มของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับว่าโฟตอนมีอันตรกริยากับคู่อนุภาคเสมือนอิเล็กตรอนโพสิตรอนเหล่านี้มากขนาดไหน

           การที่ความแรงหรือความเข้มของอันตรกริยาระหว่างอนุภาคขึ้นอยู่กับพลังงานและมาตราส่วนที่เราพิจารณานั้นเป็นปรากฏการณ์ทางควอนตัมฟิสิกส์ ด้วยหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์ก คู่อนุภาคและปฏิอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน และโพสิตรอน สามารถกำเนิดขึ้นมาได้จากความว่างเปล่า (อันที่จริงคือกำเนิดจากภาวะสุญญากาศทางควอนตัม) นักฟิสิกส์เรียกพวกมันว่า “อนุภาคเสมือน” หรือ “virtual particles” เพราะคู่อิเล็กตรอนและโพสิตรอนเหล่านี้จะดำรงอยู่เพียงชั่วคราว และจะสลายตัวกลับไปเป็นความว่างเปล่าในเวลาอันสั้น และกระบวนการเช่นนี้นี่เองที่มีบทบาทสำคัญที่ทำให้ความเข้มของแรงในธรรมชาติขึ้นอยู่กับมาตราส่วนระยะทางที่เราพิจารณา อาจจะยกตัวอย่างจากอันตริกริยาของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ดังที่เราได้กล่าวมาแล้วอิเล็กตรอนและโพสิตรอนดึงดูดกันมีโฟตอนเป็นอนุภาคสื่อนำแรง โฟตอนเหล่านี้อาจจะถูกรบกวนระหว่างการเดินทางจากอิเล็กตรอนไปยังโพสิตรอน ในระหว่างทางโฟตอนอาจจะสลายตัวเกิดเป็นคู่อนุภาคปฏิอนุภาค เช่น คู่อิเล็กตรอนและโพสิตรอน ซึ่งคู่อนุภาคเสมือนเหล่านี้จะดำรงอยู่ในเวลาอันสั้นและสลายตัวกลับไปเป็นโฟตอนในเวลาอันรวดเร็ว ความเข้มของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับว่าโฟตอนมีอันตรกริยากับคู่อนุภาคเสมือนอิเล็กตรอนโพสิตรอนเหล่านี้มากขนาดไหน เพราะอันตรกริยากับคู่อนุภาคปฏิอนุภาคจะทำให้ข้อมูลแรงไฟฟ้าที่โฟตอนบรรจุเอาไว้มีความเจือจางลง ซึ่งอาจจะอธิบายได้โดยใช้ความจริงว่าประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะดึงดูดกัน ประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะผลักกัน ดังนั้นโดยเฉลี่ยแล้วโพสิตรอนเสมือนที่เกิดขึ้นจากความว่างเปล่าเหล่านี้จะอยู่ใกล้กับอิเล็กตรอน มากกว่าคู่อนุภาคเสมือนอิเล็กตรอนของมัน ประจุจากอนุภาคมายาเหล่านี้จะทำให้อิทธิพลของประจุอิเล็กตรอนลดลง ซึ่งเราพบว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีความเข้มลดลงเมื่อพิจารณาถ้าประจุอยู่ห่างกันมากๆ นั่นเพราะว่าโฟตอนต้องนำเอาอิทธิพลของแรงผ่านระยะทางไกล มันจึงมีโอกาสจะมีอันตรกริยากับคู่อนุภาคปฏิอนุภาคได้มากกว่า ในขณะที่ในมาตราส่วนระยะทางสั้นๆ โฟตอนมีโอกาสที่จะได้รับอิทธิพลจากคู่อนุภาคมายาดังกล่าวน้อยกว่า

                          

     
           ปรากฏการที่อิทธิพลของแรงไฟฟ้าถูกทำให้เจือจางลงอาจเปรียบเทียบได้กับการที่อิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่ในตัวกลางไดอิเล็กตริก ประจุลบจะดึงประจุบวกเข้าหาและผลักประจุลบในตัวกลางออกไป

           สำหรับแรงนิวเคลียร์แบบเข้มนั้นสถานการณ์จะแตกต่างออกไป ในชีวิตประจำวันเราจะไม่พบควาร์กอิสระในธรรมชาติ ซึ่งต่างจากอนุภาคอื่นๆ เช่น อิเล็กตรอน ทั้งนี้เนื่องจากควาร์กถูกกักขังอยู่ในฮาดรอน เช่น โปรตอน หรือ นิวตรอน อย่างไรก็ตามการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อควาร์กอยู่ใกล้กันมากๆ พวกมันจะประพฤติตัวเหมือนกับเป็นอนุภาคอิสระ ซึ่งสะท้อนให้เห็นว่าอันตรกริยาของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มมีความแรงลดลงเมื่อพิจารณาในระดับพลังงานที่สูงขึ้น นักฟิสิกส์เรียกพฤติกรรมนี้ว่า คุณสมบัติความเป็นอิสระที่พลังงานสูง หรือ Asymptotic freedom ทั้งนี้เพราะกลูออนซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบเข้มนั้น มี “ประจุสี” ของแรงนิวเคลียร์อยู่ในตัวมันเอง และนอกจากนั้นมันสามารถมีอันตรกริยากับตัวมันเองได้ (โฟตอนไม่มีประจุไฟฟ้า และไม่มีอันตรกิริยากับโฟตอนด้วยกัน) เราจึงสามารถมีคู่อนุภาคเสมือนกลูออนและแอนติกลูออนเกิดขึ้นมาจากสภาวะสุญญากาศของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มได้ และผลจากการคำนวณแสดงให้เห็นว่า คู่อนุภาคมายากลูออนและแอนติกลูออนนี้ ทำให้แรงนิวเคลียร์แบบเข้มมีความแรงมากขึ้น ดังนั้นยิ่งมันมีอันตรกริยากับคู่อนุภาคและปฏิอนุภาคมากเท่าไหร่อิทธิพลของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มยิ่งเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น  ซึ่งความจริงนี้ เดวิด กรอส (David Gross) แฟรงก์ วิลเชค (Frank Wilczek) และ เดวิด โพลิทเซอร์ (David Politzer) ได้พิสูจน์ให้เห็นโดยใช้สมการของรีนอร์มาไลเซชันกรุ๊ป ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2004 การสามารถอธิบายคุณสมบัติความเป็นอิสระที่พลังงานสูง ทำให้ทฤษฎีหยาง-มิลล์ เป็นทฤษฎีที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มได้ด้วย นอกเหนือจากแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ทฤษฎีหยาง-มิลล์อันใหม่นี้มีชื่อเรียกว่า รงค์พลศาสตร์ควอนตัม หรือ ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (Quantum chromodynamics) คำว่า โครโม หรือ  Chromo  มาจากภาษากรีก แปลว่า สี หรือ รงค์ ซึ่งสอดคล้องกับประจุของสนามหยาง–มิลล์ที่อนุภาคควาร์กสามารถมีอยู่ได้ คือ ประจุแดง ประจุเขียว และประจุน้ำเงิน และไม่ได้เกี่ยวข้องกับสีที่เราเห็นในชีวิตประจำวันซึ่งเป็นอนุภาคโฟตอนที่มีความถี่ในย่านที่ตาเราสามารถมองเห็นแต่อย่างใด

              

    
กลูออนเป็นอนุภาคสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม นอกจากมันจะมีอันตรกริยากับควาร์กแล้ว (รูป ก) พวกมันยังสามารถมีอันตรกริยากับกลูออนด้วยกันเองได้อีกด้วย (รูป ข และ ค)

                     

ปัญหาของแบบจำลองมาตรฐาน ซุปเปอร์ซิมมิตรี มิติพิเศษ และ เครื่อง  LHC

           เราได้เห็นแล้วว่าแบบจำลองมาตรฐานสามารถอธิบายพฤติกรรมของแรงนิวเคลียร์ได้ แต่กระนั้นทฤษฎียังมีปัญหาและปริศนาที่ซ่อนอยู่ในตัวของมัน ปัญหาเหล่านั้นซ่อนอยู่ในโครงสร้างของทฤษฎีซึ่งทำให้นักฟิสิกส์ต้องกลับมานั่งพิจารณาความเป็นไปได้อื่นๆ ในเชิงทฤษฎีที่จะสามารถตอบปริศนาเหล่านั้นได้ เนื่องจากเพื่อไม่ให้บทความนี้ยาวจนเกินไป จึงจะขอกล่าวถึงปัญหาสำคัญที่สุดปัญหาหนึ่งของแบบจำลองมาตรฐาน นั่นคือปัญหาที่นักฟิสิกส์เรียกว่า “ปัญหาลำดับขั้นของพลังงาน” หรือ “Hierarchy problem” ซึ่งการไขปริศนาสำคัญนี้อาจจะนำเราไปสู่มุมมองใหม่เกี่ยวกับเอกภพ

           แม้ว่านักฟิสิกส์จะใช้ประโยชน์จากอนุภาคฮิกส์ในการสร้างมวลสารให้กับอนุภาคอื่นๆ แต่มวลของตัวอนุภาคฮิกส์เองกลับสร้างปัญหาที่ชวนให้ปวดหัวกับนักฟิสิกส์เช่นกัน และคู่อนุภาคเสมือนก็มีส่วนสำคัญอีกครั้งกับปัญหานี้ ในหัวข้อก่อนหน้านี้เราได้อธิบายว่า การมีอยู่จริงของพวกมันส่งผลต่อความเข้มของแรงธรรมชาติที่กระทำต่อระบบอนุภาค ปรากฏการณ์นี้ส่งผลต่อมวลสารของอนุภาคที่เราพิจารณาด้วยเช่นกัน แต่จะต่างกันก็ตรงที่ผลทางควอนตัมทำให้มวลสารที่คำนวณได้จากทฤษฎีสนามควอนตัมมีค่าคลาดเคลื่อนจากทดลองไปมาก

           ต้นตอของปัญหาเกี่ยวข้องกับระดับขั้นพลังงาน 2 ระดับที่ปรากฏอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน ลำดับแรกเรียกกันว่า ระดับพลังงานอิเล็กโตรวีค (Electroweak energy scale) ซึ่งเป็นระดับพลังงานของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน มีค่าอยู่ที่ประมาณ 250 GeV ที่พลังงานต่ำกว่านี้ สมมาตรของแรงจะถูกทำลาย อนุภาคสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และอนุภาคมูลฐานเช่น ควาร์ก และ อิเล็กตรอนจะมีมวลสารเนื่องจากกลไกโบรต-อองแกรต์-ฮิกส์

           อีกลำดับขั้นพลังงานหนึ่งมีชื่อเรียกว่า ระดับพลังงานพลังค์ หรือ Planck energy scale ซึ่งมีค่าสูงกว่าระดับพลังงานอิเล็กโตรวีคถึง หมื่นล้านล้านเท่า (1016 เท่า) มันเป็นระดับพลังงานที่ปรากฏการณ์เชิงควอนตัมของความโน้มถ่วงเข้ามามีผลต่อการพิจารณา และเป็นขีดจำกัดทางทฤษฎีของเรา เนื่องจากอนุภาคใดๆ ที่มีพลังงานสูงกว่าระดับพลังงานนี้ความยาวคลื่นควอนตัมของมันจะหดสั้นกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ของอนุภาคทำให้ตัวมันเองกลายเป็นหลุมดำ และข้อมูลทางฟิสิกส์ทั้งหมดของอนุภาคจะไม่สามารถเล็ดรอดออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ ทำให้ทฤษฎีสนามควอนตัมไม่สามารถทำนายได้ว่าจะมีสิ่งใดเกิดขึ้นกับอนุภาคบ้างที่ระดับพลังงานสูงสุดขั้วนี้ ระดับพลังงานพลังค์ยังมีส่วนรับผิดชอบต่อความจริงที่ว่า แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีขนาดความเข้มน้อยที่สุดในบรรดาแรงทั้งสี่ในธรรมชาติ เนื่องจากค่าคงที่ในกฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตันแปรผกผันกับกำลังสองของระดับพลังงานพลังค์  ที่ผ่านมานักฟิสิกส์ไม่ได้พิจารณาระดับพลังงานพลังค์ในการศึกษาระบบของอนุภาคมากนัก เนื่องจากแรงโน้มถ่วงอิทธิพลต่ออนุภาคเล็กๆ เหล่านี้น้อยมาก แต่ในขณะเดียวกันนี่ก็เป็นปริศนาที่นักฟิสิกส์ยังไม่ทราบคำตอบ ปริศนาที่ว่า ทำไมแรงโน้มถ่วงถึงได้มีค่าน้อยนัก หรือถ้าจะพูดในเชิงเทคนิคก็คือ ทำไมระดับพลังงานพลังค์ถึงได้อยู่สูงกว่าระดับพลังงานอิเล็กโตรวีคมากมายนัก ทั้งสองระดับอยู่ห่างกันถึงสิบหกลำดับขั้น และนี่เองคือสิ่งที่เราเรียกว่า ปัญหาลำดับขั้นของพลังงาน

           เหตุผลที่ระดับพลังงานพลังค์เข้ามามีส่วนในการคำนวณมวลของอนุภาคฮิกส์นั้นค่อนข้างจะซับซ้อน อนุภาคฮิกส์สามารถมีอันตรกริยากับคู่อนุภาคเสมือนขณะที่มันเคลื่อนที่ เช่น อนุภาคฮิกส์อาจจะสลายตัวให้คู่อนุภาคเสมือน ท็อป-ควาร์ก และ แอนติท็อป-ควาร์ก และภายในเสี้ยววินาทีคู่อนุภาคนั้นจะรวมกันและกลับกลายเป็นอนุภาคฮิกส์ดังเดิม คู่อนุภาคเสมือนที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ นี้สามารถมีพลังงานได้หลายค่า และกฎทางควอนตัมบอกนักฟิสิกส์ว่า ในการคำนวณมวลของอนุภาคฮิกส์จะต้องรวมเอาทุกๆ ค่าพลังงานที่เป็นไปได้ของคู่อนุภาคเหล่านี้เข้าไปด้วย และเนื่องจากพลังงานสูงสุดที่อนุภาคเสมือนเหล่านี้จะมีได้คือ ระดับพลังงานพลังค์ การรวมกันของผลทางควอนตัมเหล่านี้ทำให้มวลของอนุภาคฮิกส์มีค่าสูงมาก รวมถึงทำให้ค่าของสนามฮิกส์ที่สถานะสุญญากาศมีค่าสูงเกินไป อันจะส่งผลทำให้มวลของอนุภาคสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนมีมวลมากเกินต้องการประมาณหนึ่งหมื่นล้านเท่า นั่นทำให้ทฤษฎีคลาดเคลื่อนจากโลกแห่งความเป็นจริงและเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ยอมรับไม่ได้ 

           นักฟิสิกส์พยายามเสนอแนวคิดใหม่ๆ ที่จะแก้ปัญหาการปรับแต่งมวลของอนุภาคฮิกส์ หนึ่งในแนวคิดนั้นคือทฤษฎีที่เรียกว่า ซุปเปอร์ซิมเมทรี หรือ supersymmetry ซึ่งเสนอว่ามีสมมาตรระหว่างอนุภาคที่ทำหน้าที่สื่อนำแรง กับอนุภาคสสาร ทฤษฎีทำนายว่าทุกๆ อนุภาคจะมีคู่ซุปเปอร์ซิมเมทรี (super partner) ของมัน เช่น ท็อป–ควาร์ก จะมีคู่ซุปเปอร์ซิมเมทรีที่เรียกว่า เอสท็อป–ควาร์ก อนุภาคในทฤษฎีซุปเปอร์ซิมเมทรีสามารถเกิดขึ้นในลักษณะที่เป็นอนุภาคเสมือนได้เช่นกัน และส่งผลต่อการคำนวณมวลของอนุภาคฮิกส์ โดยอิทธิพลทางควอนตัมของอนุภาคจะหักล้างกันกับอิทธิพลทางควอนตัมของอนุภาคอีกตัวซึ่งเป็นคู่ซุปเปอร์ซิมเมทรีกัน  ทำให้เราสามารถกำหนดค่ามวลของฮิกส์ได้อย่างเป็นธรรมชาติ และสามารถแก้ปัญหาลำดับขั้นของพลังงานได้ อย่างไรก็ตามอนุภาคซุปเปอร์ซิมเมทรียังไม่ถูกตรวจพบในธรรมชาติ แม้ว่าจะมีการคาดการณ์ว่าเราอาจจะพบอนุภาคดังกล่าวในเครื่องเร่งอนุภาค LHC ก็ตาม

                 

        
แผนภาพแสดงอิทธิพลของอนุภาคเสมือนจาก ท็อป–ควาร์ก ที่มีต่อมวลของอนุภาคฮิกส์ ซึ่งจะหักล้างกันกับอิทธิพลจาก เอสท็อป–ควาร์ก ซึ่งเป็นคู่อนุภาคซุปเปอร์ซิมเมทรีของมัน

           ยังมีอีกหลายแนวคิดที่พยายามจะอธิบายว่า เหตุใดแรงโน้มถ่วงจึงมีความเข้มน้อยกว่าแรงอื่นๆ แนวคิดหนึ่งที่น่าตื่นเต้นก็คือ ความเป็นไปได้ที่ว่าอวกาศอาจไม่ได้มีลักษณะเป็นอวกาศสามมิติ โดยอาจจะมีมิติอื่นที่เราไม่สามารถมองเห็นได้ขดซ่อนตัวอยู่ ถ้าทฤษฎีนี้เป็นจริง แรงโน้มถ่วงอาจจะไม่ได้มีความเข้มน้อยกว่าแรงชนิดอื่น แต่การที่เราพบว่าแรงโน้มถ่วงมีความแรงน้อยกว่า เป็นผลเนื่องมาจากการที่มันสามารถ “รั่ว” ออกไปจากโลกสามมิติของเรา ไปยังมิติที่ซ่อนตัวอยู่เหล่านั้น ในกรณีนี้ระดับพลังงานพลังค์อาจจะไม่ได้สูงกว่าระดับพลังงานอิเล็กโตรวีคถึงหนึ่งหมื่นล้านเท่าอย่างที่เข้าใจกัน นักฟิสิกส์เสนอว่าถ้ามิติที่ซ่อนตัวอยู่เหล่านั้น ขดตัวอยู่ในขนาดมาตรส่วนระหว่างไมโครเมตรถึงมิลลิเมตร ระดับพลังงานพลังค์อาจจะอยู่ที่เพียงไม่กี่  TeV  ซึ่งเราสามารถจะตรวจสอบได้ด้วยเครื่องเร่งอนุภาค LHC และถ้าแนวคิดนี้ถูกต้องเราอาจจะสามารถสร้างหลุมดำขนาดจิ๋วได้จากเครื่องเร่งอนุภาค

           ในช่วงเวลา 5-10 ปีนับจากวันนี้ การทดลองอาจจะแสดงให้เห็นสิ่งที่น่าตื่นเต้น ไม่ว่าจะเป็นอนุภาคใหม่ๆ หรือแม้แต่ความเป็นไปได้ที่จะมีมิติอื่นๆ หลบซ่อนตัวอยู่ สิ่งเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงมุมมองของเราที่มีต่อโลกและจักรวาลไปอย่างสิ้นเชิง

ผู้เขียนขอขอบคุณ


           ดร . อภิสิทธิ์ อึ้งกิจจานุกิจ และ ดร . ปิยบุตร บุรีคำ สำหรับคำแนะนำ และ เอกพงษ์ หิรัญสิริสวัสดิ์ สำหรับภาพกราฟฟิค

เอกสารอ้างอิง และค้นคว้าเพิ่มเติม


1) Gerard ‘t Hooft, The Making of The Standard Model, Nature Vol 448 (2007) 271-273
2)  Steven Weinberg, The Making of The Standard Model, บรรยายที่ CERN เมื่อวันที่ 16 กันยายน ค.ศ.  2003 เนื่องในการฉลองครบรอบ 30 ปีของการค้นพบ neutral currents และครบรอบ 20 ปีของการค้นพบอนุภาค  W  และ  Z, arXiv:hep-ph/0401010
3) Abdul Salam, Gauge Unification of Fundamental Forces, การบรรยายเนื่องในโอกาสเข้ารับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 8 ธันวาคม ค.ศ. 1979 (ดาวน์โหลดได้จากเว็บไซต์ของรางวัลโนเบล)
4) David Gross, The Discovery of Asymptotic Freedom and The Emergence of QCD, การบรรยายเนื่องในโอกาสเข้ารับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 8 ธันวาคม ค.ศ. 2004 (ดาวน์โหลดได้จากเว็บไซต์ของรางวัลโนเบล)
5) รายละเอียดเกี่ยวกับสนามฮิกส์ การทำลายสมมาตรด้วยตัวเอง มิติพิเศษ และความสัมพันธ์ของมันกับ จักรวาลวิทยา รวมถึงทฤษฎี สามารถอ่านเพิ่มเติมได้จากหนังสือ “ทอถักจักรวาล” ของสำนักพิมพ์มติชน ซึ่งแปลจาก  The Fabric of The Cosmos ซึ่งเขียนโดย ไบรอัน กรีน (Brian Greene)


 

 


Views: 6093

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 43899311

Who's Online

ขณะนี้มี 109 บุคคลทั่วไป ออนไลน์