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  

ยังเป็นข้อสงสัยอยู่ว่า ทำไมเอกภพที่สังเกตได้จึงมีแต่สสารเกือบทั้งหมด มีที่แห่งอื่นอีกหรือไม่ที่มีแต่ปฏิสสารเกือบทั้งหมด และอะไรจะเกิดขึ้นหากสามารถนำปฏิสสารมาใช้งาน ขณะนี้ การที่มีสสารกับปฏิสสารอยู่อย่างไม่สมดุลในเอกภพที่สังเกตได้เป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไขไม่ออกที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ (unsolved problems in physics)  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  ตารางธาตุที่สมบูรณ์ของปฏิสสารได้ถูกสร้างขึ้นโดย  ชาร์ล 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

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.

ปฏิสสาร
สสาร
ฟิสิกส์อนุภาค
ทฤษฎีสนามควอนตัม