การแยกส่วนสมมาตรด้วยไฟฟ้า
การไขปริศนาว่าสมมาตรแตกสลายไปอย่างไรอาจกำหนดทิศทางในอนาคตของฟิสิกส์อนุภาค
เสียการหมุน: เมื่อลูกบอลกลิ้งลงมาตามทางลาด มันจะทำลายความสมมาตรของหมวก
เว็บสล็อตแท้ บรรพบุรุษยุคก่อนประวัติศาสตร์ของเราไม่ต้องการอุปกรณ์ที่ทันสมัยใดๆ ในการตรวจจับผลกระทบของสิ่งที่เราเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในปัจจุบัน แสงนั้นค่อนข้างชัดเจนในชีวิตประจำวัน และผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ เช่น ไฟฟ้าสถิตย์ สายฟ้า และคุณสมบัติทางแม่เหล็กของหินบางชนิด เช่น หินก้อนกรวด เป็นที่รู้จักกันดีในสมัยโบราณ
แต่ต้องใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ไม่น้อยในการค้นหาแม้กระทั่งการมีอยู่ของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ นับประสาอะไรกับการทำความเข้าใจพวกเขา เราเริ่มตระหนักถึงปฏิกิริยาที่อ่อนแอกับการค้นพบกัมมันตภาพรังสีในปี พ.ศ. 2439 นิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีบางส่วนสลายตัวด้วยการปล่อย ‘อนุภาค β’ ซึ่งตอนนี้เราเข้าใจว่าเป็นอิเล็กตรอนที่มีพลัง การสลายตัวของนิวเคลียร์ β ดังกล่าวเป็นหน้าต่างที่เข้าถึงได้ง่ายที่สุดในการโต้ตอบที่อ่อนแอ และเป็นเพียงหน้าต่างเดียวที่มีจนถึงกลางศตวรรษที่ผ่านมา เมื่อเครื่องตรวจจับรังสีคอสมิก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และเครื่องเร่งอนุภาคมาถึงที่เกิดเหตุ
ไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสง ครั้งหนึ่งดูเหมือนจะเป็นสามหัวข้อที่แตกต่างกัน ความเข้าใจที่รวมกันเป็นหนึ่งซึ่งได้รับในศตวรรษที่สิบเก้า ทำให้นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งเหล่านี้โดยรวมว่าเป็นปรากฏการณ์ ‘แม่เหล็กไฟฟ้า’
แม่เหล็กไฟฟ้าดูเหมือนจะชัดเจนมากกว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ แต่ในความเข้าใจสมัยใหม่ของเรา ซึ่งมีพื้นฐานมาจากสิ่งที่เรียกว่า “แบบจำลองมาตรฐาน” ของฟิสิกส์อนุภาค ทั้งสองมีความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์แบบ ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายโดยสมการของแมกซ์เวลล์ และปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นอธิบายได้ด้วยชุดสมการที่ค่อนข้างคล้ายคลึงกัน แม้ว่าจะไม่เป็นเชิงเส้น (เรียกว่าสมการหยาง–มิลส์) อีกตัวอย่างหนึ่ง อนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าโฟตอนเป็นหน่วยควอนตัมพื้นฐานของแม่เหล็กไฟฟ้า และอนุภาคที่คล้ายกันที่เรียกว่าโบซอน W และ Z เป็นหน่วยควอนตัมพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ เนื่องจากความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอ นักฟิสิกส์อนุภาคสมัยใหม่จึงเรียกพวกมันรวมกันว่าเป็นปฏิกิริยา ‘electroweak’
หากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นคล้ายคลึงกับแม่เหล็กไฟฟ้า ทำไมจึงปรากฏแตกต่างกันในชีวิตประจำวัน? ตามรุ่นมาตรฐาน กุญแจสำคัญคือ ‘การหักล้างสมมาตร’ แม้ว่ากฎของธรรมชาติจะมีความสมมาตร — ในกรณีนี้ ความสมมาตรระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้าและการโต้ตอบที่อ่อนแอ หรือระหว่างโฟตอนกับโบซอน W และ Z — คำตอบของสมการอาจขาดความสมมาตรนั้น
ตัวอย่างเช่น ในของเหลว
อะตอมมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดก็ได้ในอวกาศเท่ากัน ดังนั้นจึงไม่มีแกนพิกัดที่ต้องการ แต่ถ้าเราทำให้ของเหลวเย็นลงจนแข็งตัว จะเกิดผลึกซึ่งมีแกนแยกออกมา ทุกทิศทางในอวกาศเป็นไปได้เท่าๆ กันกับแกนผลึก แต่เมื่อของเหลวแข็งตัว แกนที่โดดเด่นบางอันก็จะปรากฏขึ้นเสมอ ความสมมาตรระหว่างทิศทางต่าง ๆ ในอวกาศหายไปหรือ ‘แตกสลายตามธรรมชาติ’
ในทำนองเดียวกัน ตามรุ่นมาตรฐาน หลังจาก “บิ๊กแบง” มีความสมมาตรที่สมบูรณ์แบบระหว่างโฟตอนกับโบซอน W และ Z ที่อุณหภูมิสูงที่มีอยู่นั้น แม่เหล็กไฟฟ้าและการโต้ตอบที่อ่อนแอก็ชัดเจนเท่ากัน แต่เมื่อเอกภพเย็นตัวลง มันก็เปลี่ยนเฟสซึ่งคล้ายกับการเยือกแข็งของของเหลว ซึ่งสมมาตรนั้น “แตกเองตามธรรมชาติ” โบซอน W และ Z ได้รับจำนวนมาก โดยจำกัดปฏิกิริยาที่อ่อนแอต่อระยะห่างของนิวเคลียร์ และนำผลกระทบของมันออกไปให้พ้นมือด้วยตาเปล่า โฟตอนยังคงไม่มีมวล เนื่องจากผลกระทบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแพร่กระจายไปในระยะทางระดับมนุษย์ (และอื่น ๆ ) และเห็นได้ชัดในชีวิตประจำวัน
ลักษณะส่วนใหญ่ของแบบจำลองมาตรฐานได้รับการทดสอบอย่างมากมายโดยการทดลอง ตัวอย่างเช่น โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนวัดได้จนถึงเลขนัยสำคัญที่สิบสอง โดยผลลัพธ์ที่ได้สอดคล้องกับทฤษฎีอย่างสวยงาม คุณสมบัติที่คาดการณ์ไว้จำนวนมากของ W และ Z boson ได้รับการตรวจสอบเป็นตัวเลขสามหรือสี่หลัก ล่าสุด กลไกที่แบบจำลองมาตรฐานละเมิดความสมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสารได้รับการทดสอบในห้องปฏิบัติการในแคลิฟอร์เนียและญี่ปุ่น
แง่มุมหนึ่งของโมเดลมาตรฐานที่เรายังไม่ได้ทำการทดสอบอาจเป็นพื้นฐานที่สุด: สมมาตรหักได้อย่างไร อย่างไรก็ตาม เรามีแนวคิดที่ชัดเจนว่าจะหาข้อมูลดังกล่าวได้จากที่ใด เช่นเดียวกับที่เราสามารถใช้มวลอะตอมและพลังงานยึดเหนี่ยวเพื่อประเมินจุดหลอมเหลวของผลึก เราสามารถใช้มวล W และ Z และคุณสมบัติอื่นๆ ที่สังเกตได้ของอนุภาคมูลฐานในการประมาณอุณหภูมิสูงหรือพลังงานที่เครื่องเร่งอนุภาคจำเป็นต้องบรรลุเพื่อสำรวจคลื่นไฟฟ้าอ่อน- การทำลายสมมาตร จากการประมาณการเหล่านี้ การแตกหักของอิเล็กโตรวีค-สมมาตรอาจอยู่ในมือของตัวเร่งความเร็วที่ทรงพลังที่สุดในโลก นั่นคือ Tevatron ที่ Fermilab ในชิคาโก และควรอยู่ในขอบเขตของ Large Hadron Collider (LHC) ซึ่งเป็นเครื่องเร่งความเร็วแบบใหม่ เว็บสล็อตแท้
