นักวิทย์ Texas A&M พัฒนาเครื่องตรวจจับอนุภาคความไวสูง เร่งไขปริศนาสสารมืด 95% ของจักรวาล

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Texas A&M ในสหรัฐอเมริกา กำลังพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับอนุภาครุ่นใหม่ที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ เพื่อไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดข้อหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่ นั่นคือการมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของจักรวาลที่มนุษย์ยังไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรง แม้จะมีอิทธิพลต่อโครงสร้างและวิวัฒนาการของจักรวาลอย่างมหาศาล

ความเข้าใจเกี่ยวกับสสารมืด

ตามแบบจำลองจักรวาลวิทยาปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์พบว่าสสารและพลังงานที่มองเห็นได้ เช่น ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และก๊าซระหว่างดวงดาว คิดเป็นเพียงประมาณร้อยละ 5 ของจักรวาลเท่านั้น ส่วนที่เหลืออีกร้อยละ 95 ประกอบด้วยสสารมืดประมาณร้อยละ 27 และพลังงานมืดราวร้อยละ 68

โดยสสารมืดทำหน้าที่เสมือนแรงยึดเหนี่ยวที่ช่วยให้ดาราจักรและกระจุกดาราจักรคงรูปอยู่ได้ ขณะที่พลังงานมืดเป็นแรงลึกลับที่ทำให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราเร่ง อย่างไรก็ตาม ทั้งสองสิ่งไม่ปล่อย ดูดกลืน หรือสะท้อนแสง ทำให้ไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์หรือเครื่องมือดาราศาสตร์แบบดั้งเดิม

ดร. รูพัค มหาปาตรา (Rupak Mahapatra) นักฟิสิกส์อนุภาคเชิงทดลองจาก Texas A&M อธิบายว่า "ความเข้าใจของมนุษย์ต่อจักรวาลในปัจจุบันยังเป็นเพียงการรับรู้บางส่วน เปรียบได้กับการสัมผัสเพียงชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของโครงสร้างขนาดมหึมา โดยที่ยังไม่สามารถอธิบายภาพรวมทั้งหมดได้ ความท้าทายสำคัญ คือ การออกแบบเครื่องมือที่ไวพอจะตรวจจับปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นน้อยมากระหว่างสสารมืดกับสสารปกติ"

ทีมวิจัยมีวิธีการอย่างไรในการตรวจจับสสารมืด

ทีมวิจัยกำลังพัฒนาเครื่องตรวจจับแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ควอนตัมเซนเซอร์ทำงานในสภาวะแช่เย็นจัดระดับครายโอเจนิก ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนและสิ่งแวดล้อมให้เหลือน้อยที่สุด เทคโนโลยีนี้เป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือระดับนานาชาติในโครงการที่มีชื่อว่า TESSERACT ซึ่งมุ่งเน้นการตรวจจับสสารมืดมวลต่ำที่การทดลองรุ่นก่อนหน้าไม่สามารถเข้าถึงได้

เครื่องตรวจจับนี้เป็นเครื่องตรวจจับแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานร่วมกับควอนตัมเซนเซอร์ โดยถูกนำไปทำงานในสภาวะแช่เย็นจัดระดับครายโอเจนิก อุณหภูมิต่ำมากใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ จุดประสงค์หลักของการทำให้เย็นจัด คือเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด เพราะความร้อนเพียงเล็กน้อยก็สามารถกลบสัญญาณอ่อนมากจากสสารมืดได้

เมื่อสมมติว่าสสารมืดเดินทางผ่านโลกและผ่านตัวตรวจจับ อนุภาคสสารมืดอาจชนหรือมีปฏิกิริยากับอะตอมในแผ่นเซมิคอนดักเตอร์ ปฏิกิริยานี้จะถ่ายทอดพลังงานออกมาในปริมาณเล็กมาก ระดับต่ำกว่าที่เครื่องตรวจจับทั่วไปจะรับรู้ได้ พลังงานดังกล่าวอาจปรากฏในรูปของการสั่นของผลึก การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือการเปลี่ยนแปลงเชิงควอนตัมเล็กน้อยในโครงสร้างวัสดุ

ควอนตัมเซนเซอร์ที่ติดตั้งอยู่จะทำหน้าที่ขยายสัญญาณจิ๋วเหล่านี้ให้ใหญ่ขึ้น โดยอาศัยหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงพลังงานระดับต่ำมากได้ ความสามารถนี้ทำให้เครื่องตรวจจับมองเห็นสัญญาณที่เคยถูกมองว่าเป็นเพียงสัญญาณรบกวนในอดีต

อีกหัวใจสำคัญคือการแยกสัญญาณจริงออกจากสิ่งรบกวน เช่น รังสีคอสมิก อนุภาคจากธรรมชาติ หรือสัญญาณไฟฟ้าผิดพลาด ทีมวิจัยใช้ทั้งการออกแบบโครงสร้างป้องกันรังสี การคัดกรองข้อมูลเชิงสถิติ และการวิเคราะห์รูปแบบสัญญาณอย่างละเอียด เพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งที่ตรวจพบมีโอกาสเป็นปฏิสัมพันธ์จากสสารมืดจริง ไม่ใช่สัญญาณหลอก

งานวิจัยดังกล่าวต่อยอดจากประสบการณ์ยาวนานกว่า 25 ปี ของทีมในโครงการ SuperCDMS ซึ่งเป็นหนึ่งในความพยายามระดับโลกในการค้นหาอนุภาคสำคัญของสสารมืดที่เรียกว่า WIMPs หรือ Weakly Interacting Massive Particles การทดลองที่ผ่านมาช่วยขยายขอบเขตการค้นหาและจำกัดคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านี้ให้แคบลงอย่างต่อเนื่อง แม้จะยังไม่พบหลักฐานยืนยันโดยตรงก็ตาม

อาจกล่าวได้ว่าความพยายามครั้งนี้ไม่ใช่เพียงการค้นหาอนุภาคลึกลับ แต่เป็นก้าวสำคัญในการทำความเข้าใจว่าเอกภพทำงานอย่างไรในระดับลึกที่สุด และมนุษย์มีตำแหน่งอยู่ตรงไหนท่ามกลางจักรวาลที่กว้างใหญ่เกินกว่าจะมองเห็นด้วยตาเปล่าเพียงอย่างเดียว

ผลงานด้านการพัฒนาเครื่องตรวจจับของทีม Texas A&M ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Applied Physics Letters ในช่วงต้นปี 2026 ซึ่งสะท้อนถึงความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและแนวคิดใหม่ในการสำรวจจักรวาลระดับพื้นฐาน นักวิจัยเชื่อว่า หากสามารถตรวจจับสสารมืดได้จริง จะไม่เพียงเปลี่ยนความเข้าใจของมนุษย์ต่อโครงสร้างจักรวาลเท่านั้น แต่ยังอาจนำไปสู่การค้นพบฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน และเปิดประตูสู่เทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่ยังไม่อาจคาดการณ์ได้ในปัจจุบัน