ปฏิสสาร

ในวิชาฟิสิกส์อนุภาค ปฏิสสาร () 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 http://news.discovery.com/space/pamela-spots-a-smidgen-of-antimatter-110811.html 

ยังเป็นข้อสงสัยอยู่ว่า ทำไมเอกภพที่สังเกตได้จึงมีแต่สสารเกือบทั้งหมด มีที่แห่งอื่นอีกหรือไม่ที่มีแต่ปฏิสสารเกือบทั้งหมด และอะไรจะเกิดขึ้นหากสามารถนำปฏิสสารมาใช้งาน ขณะนี้ การที่มีสสารกับปฏิสสารอยู่อย่างไม่สมดุลในเอกภพที่สังเกตได้เป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไขไม่ออกที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ (unsolved problems in physics) David Tenenbaum, David, One step closer: UW-Madison scientists help explain scarcity of anti-matter, University of Wisconsin—Madison News, December 26, 2012  กระบวนการที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลระหว่างอนุภาคกับปฏิยานุภาคนี้ เรียกชื่อว่า แบริโอเจเนซิส

ปฏิสสารในรูปแบบของแอนติอะตอมเป็นหนึ่งในวัสดุที่ยากที่สุดในการผลิต ปฏิสสารจะมีอยู่ในรูปแบบของปฏิยานุภาคในแต่ละอนุภาค, อย่างไรก็ตาม, มีการผลิตขึ้นโดยทั่วไปได้จากเครื่องเร่งอนุภาคและในการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีบางชนิด

 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 ตารางธาตุที่สมบูรณ์ของปฏิสสารได้ถูกสร้างขึ้นโดยชาร์ล ฌาแน (Charles Janet) ในปี 1929 

สัญลักษณ์

วิธีการหนึ่งที่จะแสดงถึงปฏิยานุภาคคือการเพิ่มแถบขีดเหนือสัญลักษณ์แทนอนุภาคปกติ  ตัวอย่างเช่น  อนุภาคโปรตอนและแอนติโปรตอนจะแสดงเป็น   และ   ตามลำดับ กฎเกณฑ์เดียวกันนี้ได้ถูกประยุกต์ใช้ร่วมกันกับอนุภาคใด ๆ  โปรตอนถูกสร้างขึ้นจากควาร์กแบบ , ดังนั้นแอนติโปรตอนจึงต้องสร้างขึ้นมาจากแอนติควาร์กแบบ 

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

อ่านเพิ่ม



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 information about antimatter aimed at the general reader, posted in response to antimatter's fictional portrayal in Angels & Demons
 Antimatter at Angels and Demons, CERN
 What is direct CP-violation?
 Animated illustration of antihydrogen production at CERN from the Exploratorium.

หมวดหมู่:ปฏิสสาร
หมวดหมู่:สสาร
หมวดหมู่:ฟิสิกส์อนุภาค
หมวดหมู่:ทฤษฎีสนามควอนตัม