ปฏิสสาร

ในวิชาฟิสิกส์อนุภาค ปฏิสสาร (อังกฤษ: Antimatter) คือ ส่วนประกอบของแนวคิดเกี่ยวกับปฏิยานุภาคของสสาร โดยที่ปฏิสสารประกอบด้วยปฏิยานุภาคในทำนองเดียวกับที่อนุภาคประกอบขึ้นเป็นสสารปรกติ ตัวอย่างเช่น แอนติอิเล็กตรอน (ปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอน หรือ e⁺) 1 ตัว และแอนติโปรตอน (โปรตอนที่มีขั้วเป็นลบ) 1 ตัว สามารถรวมตัวกันเกิดเป็นอะตอมแอนติไฮโดรเจนได้ ในทำนองเดียวกันกับที่อิเล็กตรอน 1 ตัวกับโปรตอน 1 ตัวสามารถรวมกันเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่เป็น "สสารปกติ" หากนำสสารและปฏิสสารมารวมกัน จะเกิดการทำลายล้างกันในทำนองเดียวกับการรวมอนุภาคและปฏิยานุภาค ซึ่งจะได้โฟตอนพลังงานสูง (หรือรังสีแกมมา) หรือคู่อนุภาค-ปฏิยานุภาคอื่น เมื่อปฏิยานุภาคเจอกับอนุภาคจะเกิดการประลัย ผลลัพธ์ที่ได้จากการพบกันของสสารและปฏิสสารคือการถูกปลดปล่อยของพลังงานซึ่งเป็นสัดส่วนกับมวลตามที่ปรากฏในสมการความสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน, E = mc ²

ปฏิสสาร : ภาพถ่ายจากห้องถ่ายภาพเมฆของโพสิตรอนที่สังเกตได้เป็นครั้งแรก

ยังเป็นข้อสงสัยอยู่ว่า ทำไมเอกภพที่สังเกตได้จึงมีแต่สสารเกือบทั้งหมด มีที่แห่งอื่นอีกหรือไม่ที่มีแต่ปฏิสสารเกือบทั้งหมด และอะไรจะเกิดขึ้นหากสามารถนำปฏิสสารมาใช้งาน ขณะนี้ การที่มีสสารกับปฏิสสารอยู่อย่างไม่สมดุลในเอกภพที่สังเกตได้เป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไขไม่ออกที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ (unsolved problems in physics) กระบวนการที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลระหว่างอนุภาคกับปฏิยานุภาคนี้ เรียกชื่อว่า แบริโอเจเนซิส

ปฏิสสารในรูปแบบของแอนติอะตอมเป็นหนึ่งในวัสดุที่ยากที่สุดในการผลิต ปฏิสสารจะมีอยู่ในรูปแบบของปฏิยานุภาคในแต่ละอนุภาค, อย่างไรก็ตาม, มีการผลิตขึ้นโดยทั่วไปได้จากเครื่องเร่งอนุภาคและในการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีบางชนิด

เล่นมีเดีย

มีอะไรบางอย่างแผ่รังสีแกมมาอยู่บนพื้นโลกกว่า 500 แห่งเป็นประจำทุกวัน จุดสีแดงที่ปรากฏค้นพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศแฟร์มิ-แกมม่าเรย์ (Fermi Gamma-ray Space Telescope) จนถึงปี 2010

เล่นมีเดีย

นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้วิธีการใช้เครื่องตรวจจับรังสีแกมม่าจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศแฟร์มี-แกมม่าเรย์ ในการค้นพบการระเบิดของปฏิสสารจากพายุฝนฟ้าคะนอง

ประวัติของแนวคิด

แนวคิดในเรื่องสสารเชิงลบได้มีปรากฏในทฤษฎีเรื่องสสารที่ผ่านมาในอดีต เป็นทฤษฎีซึ่งขณะนี้ได้ถูกละทิ้ง โดยใช้ทฤษฎีกระแสวนของแรงโน้มถ่วง (vortex theory of gravity) ที่ครั้งหนึ่งเคยได้รับความนิยม, เป็นความน่าจะเป็นของสสารกับแรงโน้มถ่วงที่มีค่าเป็นลบซึ่งได้ถูกอ้างไว้โดยวิลเลียม ฮิกส์ ในคริสต์ทศวรรษ 1880 ในระหว่างคริสต์ทศวรรษ 1880 และ 1890, คาร์ล เพียร์สันได้นำเสนอความมีอยู่ของการ "ปะทุ" (squirts) (ของแหล่งกำเนิด) และการยุบตัวของกระแสอีเทอร์ แสดงถึงการปะทุตัวของสสารปกติและแสดงถึงการยุบตัวของสสารเชิงลบ ทฤษฎีของเพียร์สันจำเป็นต้องใช้มิติที่สี่สำหรับการไหลเข้าและไหลออกของอีเทอร์

ศัพท์ "ปฏิสสาร" ถูกใช้เป็นครั้งแรกโดยอาเธอร์ ชูสเตอร์ (Arthur Schuster) ในจดหมายที่ค่อนข้างแปลกสองฉบับในวารสารเนเจอร์ (Nature) ในปี 1898, ซึ่งเป็นเอกสารที่เขาบัญญัติศัพท์นี้ เขาได้ตั้งสมมติฐานเรื่องแอนติอะตอม (antiatom) ตลอดทั่วทั้งระบบสุริยะของปฏิสสาร และกล่าวถึงความเป็นไปได้ของสสารและการเกิดประลัย (annihilating) ซึ่งกันและกัน ความคิดของชูสเตอร์ไม่ถูกกับข้อเสนอทางทฤษฎีอย่างร้ายแรง เป็นเพียงการคาดเดาเอาเองเท่านั้น และเช่นเดียวกับความคิดก่อนหน้านี้ แตกต่างจากแนวคิดที่ทันสมัยของปฏิสสารในการที่จะมีแรงโน้มถ่วงเชิงลบ

ทฤษฎีใหม่ของปฏิสสารเริ่มต้นขึ้นในปี 1928 ด้วยรายงานการวิจัย โดยพอล ดิแรก (Paul Dirac) ดิแรกตระหนักถึงความเป็นไปได้ของหลักสัมพัทธภาพของเขาเวอร์ชันสมการคลื่นชเรอดิงเงอร์ สำหรับอิเล็กตรอนที่คาดการณ์ถึงการมีอยู่ของ แอนติอิเล็กตรอน ซึ่งถูกค้นพบโดย คาร์ล ดี แอนเดอสัน (Carl D. Anderson) ในปี 1932 และตั้งชื่อว่าโพสิตรอน (ศัพท์ย่อของ"อิเล็กตรอนบวก") แม้ว่า โดยส่วนตัวดิแรกเองจะไม่ได้ใช้คำเรียกว่าปฏิสสารก็ตาม แต่มันก็เพียงพอกับการใช้เรียกคุณสมบัติตามธรรมชาติของแอนติอิเล็กตรอน (antielectron) แอนติโปรตอน (antiproton) ฯลฯ ตารางธาตุที่สมบูรณ์ของปฏิสสารได้ถูกสร้างขึ้นโดย ชาร์ล ฌาแน (Charles Janet) ในปี 1929

สัญลักษณ์

วิธีการหนึ่งที่จะแสดงถึงปฏิยานุภาคคือการเพิ่มแถบขีดเหนือสัญลักษณ์แทนอนุภาคปกติ ตัวอย่างเช่น อนุภาคโปรตอนและแอนติโปรตอนจะแสดงเป็น ${\displaystyle p}$  และ ${\displaystyle {\bar {p}}}$  ตามลำดับ กฎเกณฑ์เดียวกันนี้ได้ถูกประยุกต์ใช้ร่วมกันกับอนุภาคใด ๆ โปรตอนถูกสร้างขึ้นจากควาร์กแบบ ${\displaystyle uud}$ , ดังนั้นแอนติโปรตอนจึงต้องสร้างขึ้นมาจากแอนติควาร์กแบบ ${\displaystyle {\bar {u}}{\bar {u}}{\bar {d}}}$ 

จุดกำเนิดและความไม่สมมาตร

สสารเกือบทั้งหมดที่สังเกตได้จากโลกดูเหมือนว่าจะทำจากสสารมากกว่าปฏิสสาร ถ้ามีปฏิสสารครอบครองอาณาบริเวณพื้นที่ของอวกาศ รังสีแกมมาที่ถูกผลิตขึ้นในปฏิกิริยาการประลัยตามแนวเขตแดนพื้นที่ระหว่างสสารและปฏิสสารจะต้องถูกตรวจพบ

ปฏิยานุภาคจะถูกสร้างขึ้นทุกที่ในจักรวาลที่ซึ่งมีการชนกันของอนุภาคพลังงานสูงเกิดขึ้น รังสีคอสมิกพลังงานสูงจะส่งผลกระทบต่อชั้นบรรยากาศของโลก (หรือสสารอื่นใดในระบบสุริยะ) การถูกสร้างขึ้นในจำนวนทุก ๆ นาทีของปฏิยานุภาคจะส่งผลให้เกิดพลังไอพ่นของอนุภาค (particle jets), ซึ่งจะถูกประลัยได้ทันทีโดยการสัมผัสกับสสารที่อยู่ใกล้เคียง ในทำนองเดียวกันพวกมันอาจจะเกิดขึ้นในอาณาบริเวณเช่นใจกลางของกาแลกซี่ทางช้างเผือกและกาแลกซี่อื่น ๆ , ที่มีพลังงานจำนวนมากเกิดขึ้นที่เป็นเหตุการณ์ท้องฟ้า (โดยส่วนใหญ่เป็นอันตรกิริยาระหว่างพลังเจ็ทเชิงสัมพัทธ์กับมวลสารระหว่างดาว) การปรากฏตัวของปฏิสสารส่งผลทำให้สามารถถูกตรวจพบได้โดยรังสีแกมมาทั้งสองที่ถูกสร้างขึ้นอยู่ตลอดเวลาที่เกิดจากการประลัยของโพสิตรอนกับสสารที่อยู่บริเวณใกล้เคียง ความถี่และความยาวคลื่นของโฟตอนรังสีแกมมาบ่งชี้ว่าโฟตอนรังสีแกมมาแต่ละอนุภาคมีพลังงาน 511 keV (ตัวอย่างเช่น มวลนิ่งของอิเล็กตรอนคูณด้วย c ²)

จากการสังเกตการณ์ล่าสุดโดยดาวเทียม INTEGRAL ขององค์การอวกาศยุโรป อาจอธิบายที่มาของเมฆยักษ์ของปฏิสสารโดยรอบศูนย์กลางของกาแลกซี่ได้ การสังเกตการณ์แสดงให้เห็นว่าเมฆยักษ์ดังกล่าวมีลักษณะไม่สมมาตรและมีลักษณะตรงกันกับรูปแบบของระบบดาวคู่รังสีเอ็กซ์ (ระบบดาวคู่ที่ประกอบด้วยหลุมดำหรือดาวนิวตรอน), ส่วนใหญ่จะอยู่ ณ บริเวณทางด้านหนึ่งของศูนย์กลางของกาแลกซี่ทางช้างเผือก, เมื่อเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบนท้องฟ้าที่มีพลังงานมากเกิดขึ้น (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการมีปฏิสัมพันธ์ของพลังไอพ่นเชิงสัมพัทธ์ (relativistic jet) กับมวลสารระหว่างดาว)

อ้างอิง

1. http://news.discovery.com/space/pamela-spots-a-smidgen-of-antimatter-110811.html
2. David Tenenbaum, David, One step closer: UW-Madison scientists help explain scarcity of anti-matter, University of Wisconsin—Madison News, December 26, 2012
3. H. Kragh (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press. pp. 5–6. ISBN 0-691-09552-3.
4. A. Schuster (1898). "Potential Matter.—A Holiday Dream". Nature. 58 (1503): 367. Bibcode:1898Natur..58..367S. doi:10.1038/058367a0.
5. E. R. Harrison (2000-03-16). Cosmology: The Science of the Universe (2nd ed.). Cambridge University Press. pp. 266, 433. ISBN 0-521-66148-X.
6. P. A. M. Dirac (1928). "The Quantum Theory of the Electron". Proceedings of the Royal Society of London: Series A. 117 (778): 610–624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. doi:10.1098/rspa.1928.0023. JSTOR 94981.
7. M. Kaku, J. T. Thompson (1997). Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe. Oxford University Press. pp. 179–180. ISBN 0-19-286196-4. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
8. P. J. Stewart (2010). "Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system". Foundations of Chemistry. 12 (1): 5–15. doi:10.1007/s10698-008-9062-5.
9. E. Sather (1999). "The Mystery of the Matter Asymmetry" (PDF). Beam Line. 26 (1): 31.

แหล่งข้อมูลอื่น

• Freeview Video 'Antimatter' by the Vega Science Trust and the BBC/OU
• CERN Webcasts (RealPlayer required)
• What is Antimatter? (from the Frequently Asked Questions at the Center for Antimatter-Matter Studies)
• FAQ from CERN with lots of information about antimatter aimed at the general reader, posted in response to antimatter's fictional portrayal in Angels & Demons
• What is direct CP-violation?
• Animated illustration of antihydrogen production at CERN from the Exploratorium.