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 ^[1]

ยังเป็นข้อสงสัยอยู่ว่า ทำไมเอกภพที่สังเกตได้จึงมีแต่สสารเกือบทั้งหมด มีที่แห่งอื่นอีกหรือไม่ที่มีแต่ปฏิสสารเกือบทั้งหมด และอะไรจะเกิดขึ้นหากสามารถนำปฏิสสารมาใช้งาน ขณะนี้ การที่มีสสารกับปฏิสสารอยู่อย่างไม่สมดุลในเอกภพที่สังเกตได้เป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไขไม่ออกที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ (unsolved problems in physics) ^[2] กระบวนการที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลระหว่างอนุภาคกับปฏิยานุภาคนี้ เรียกชื่อว่า แบริโอเจเนซิส

ปฏิสสารในรูปแบบของแอนติอะตอมเป็นหนึ่งในวัสดุที่ยากที่สุดในการผลิต ปฏิสสารจะมีอยู่ในรูปแบบของปฏิยานุภาคในแต่ละอนุภาค, อย่างไรก็ตาม, มีการผลิตขึ้นโดยทั่วไปได้จากเครื่องเร่งอนุภาคและในการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีบางชนิด

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

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^[3]

ศัพท์ "ปฏิสสาร" ถูกใช้เป็นครั้งแรกโดยอาเธอร์ ชูสเตอร์ (Arthur Schuster) ในจดหมายที่ค่อนข้างแปลกสองฉบับในวารสารเนเจอร์ (Nature) ในปี 1898^[4] ซึ่งเป็นเอกสารที่เขาบัญญัติศัพท์นี้ เขาได้ตั้งสมมติฐานเรื่องแอนติอะตอม (antiatom) ตลอดทั่วทั้งระบบสุริยะของปฏิสสาร และกล่าวถึงความเป็นไปได้ของสสารและการเกิดประลัย (annihilating) ซึ่งกันและกัน ความคิดของชูสเตอร์ไม่ถูกกับข้อเสนอทางทฤษฎีอย่างร้ายแรง เป็นเพียงการคาดเดาเอาเองเท่านั้น และเช่นเดียวกับความคิดก่อนหน้านี้ แตกต่างจากแนวคิดที่ทันสมัยของปฏิสสารในการที่จะมีแรงโน้มถ่วงเชิงลบ ^[5]

ทฤษฎีใหม่ของปฏิสสารเริ่มต้นขึ้นในปี 1928 ด้วยรายงานการวิจัย^[6] 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^[7] ตารางธาตุที่สมบูรณ์ของปฏิสสารได้ถูกสร้างขึ้นโดยชาร์ล ฌาแน (Charles Janet) ในปี 1929 ^[8]

สัญลักษณ์

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

จุดกำเนิดและความไม่สมมาตร

สสารเกือบทั้งหมดที่สังเกตได้จากโลกดูเหมือนว่าจะทำจากสสารมากกว่าปฏิสสาร ถ้ามีปฏิสสารครอบครองอาณาบริเวณพื้นที่ของอวกาศ รังสีแกมมาที่ถูกผลิตขึ้นในปฏิกิริยาการประลัยตามแนวเขตแดนพื้นที่ระหว่างสสารและปฏิสสารจะต้องถูกตรวจพบ ^[9]

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

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