นักวิจัยเสนอวิธีตรวจจับสสารมืด (Dark Matter) ด้วย "เครื่องเลเซอร์"​ สำหรับตรวจจับคลื่นโน้มถ่วง

ทีมนักวิจัยนานาชาติ นำโดยนักวิจัยหลังปริญญาเอก (Postdoctoral appointment: Post-doc) ที่มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) ในประเทศอังกฤษ ได้เสนอวิธีการใหม่ในการค้นหา สสารมืด (Dark Matter) ซึ่งเป็นหนึ่งในมวลที่ไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรงในอวกาศ ด้วยการเร่งกำลังเครื่องเลเซอร์สำหรับสังเกตคลื่นโน้มถ่วงที่เรียกว่าไลโก (LIGO) 10,000 เท่า จากความสามารถในปัจจุบัน

Dark Matter คืออะไร

สสารมืด หรือ ดาร์ก แมทเทอร์ (Dark Matter) คือสสารปริศนา ที่นักฟิสิกส์จำนวนไม่น้อยเชื่อว่ามีอยู่จริง แต่ยังไม่เคยเห็นหน้าตาของมันว่าเป็นแบบใด เพราะว่าตามทฤษฎีที่ตั้งขึ้นมานั่นเชื่อว่าสสารมืด หรือ Dark Matter ไม่มีความสามารถในการดูดกลืน เปล่ง หรือแม้แต่สะท้อนแสงใด ๆ ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ หรือบางคนก็เปรียบเหมือนกับ "กาว" ที่มองไม่เห็น มีหน้าที่เชื่อมเอกภพเอาไว้ และนักวิจัยเชื่อว่าถ้าสสารมืดมีอยู่จริง คาดว่าจะคิดเป็นร้อยละ 70 ของสสารทั้งหมดที่มีในเอกภพ

ภายในสมมติฐานว่า Dark Matter นั้นมีอยู่จริง นักวิจัยต่างพยายามค้นหาและคาดการณ์ถึงสมบัติต่าง ๆ เพื่อพัฒนาเครื่องมือในการตรวจจับโดยตรง (Direct Detection) หรือการสังเกตในธรรมชาติของมนุษย์ เช่น การมอง การเห็น หรือการสร้างภาพ เสียง หรือข้อมูลอื่น ๆ จากเครื่องมือที่มนุษย์มี แต่ก็ยังไม่มีเครื่องมือใดในโลกที่ค้นพบ Dark Matter ในปัจจุบัน

วิธีการหา Dark Matter แบบใหม่

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยหลังปริญญาเอก (Postdoctoral appointment: Post-doc) และนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) จากอังกฤษ และทีมนักวิจัยจากสถาบันมัคส์ พลังก์ เพื่อการศึกษาฟิสิกส์โน้มถ่วง (Max Planck Institute for Gravitational Physics) ในเยอรมนี รวมถึงนักวิจัยจากอิตาลี ได้ร่วมกันเสนอวิธีใหม่ในการพัฒนาเครื่องมือเพื่อค้นหา Dark Matter ขึ้นมา

วิธีการดังกล่าว คือการเร่งการทำงานของ ไลโก (LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) หรือเครื่องยิงสัญญาณเลเซอร์สำหรับสังเกตคลื่นโน้มถ่วง (Gravitational Wave) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ความผันผวนแบบหนึ่งในเอกภพที่สามารถสังเกตได้ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการทำงานของเครื่องเลเซอร์ 

เครื่องเลเซอร์ กับการหา Dark Matter ?

LIGO มีพื้นฐานการทำงานเป็นการแยกลำแสงเลเซอร์เป็นครึ่งหนึ่งในทางฟิสิกส์ (เฟสคลื่น) ไปตามแนวท่อที่เหมือนแขนของเครื่องมือ 2 แขน ที่แต่ละแขนจะมีความยาว 4 กิโลเมตร และทำมุมฉากต่อกัน ก่อนจะสะท้อนกับกระจกที่ปลายท่อ

ในทางทฤษฎีแล้ว เมื่อคลื่นจากเลเซอร์เดินทางสะท้อนกลับมาบรรจบกันที่จุดแยกจะต้องมีการหักล้างกัน (หรือเรียกว่ามีเฟสคลื่นตรงกันข้ามกัน) จนไม่มีสัญญาณใด ๆ แต่ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ไปกระทบกับเลเซอร์ในแต่ละฝั่งของแขน สัญญาณที่กลับมาจะทำให้การหักล้างกันไม่สมบูรณ์ และส่วนที่ไม่สมบูรณ์ก็สามารถนำไปวิเคราะห์เพื่อดูว่าสสาร คลื่น หรืออันตรกิริยาใดที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

เดิมทีแล้วหลักการดังกล่าวนำมาใช้เพื่อตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นปรากฏการณ์ความผันผวนภายใต้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรือทฤษฎีที่อธิบายเอกภพในเชิงการเคลื่อนที่ (ปริภูมิเวลา - พื้นที่) ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เคยทำนายไว้ในปี 1915 และก็สามารถค้นพบได้จริงในปี 2016 ที่ผ่านมา

การหา Dark Matter ด้วยเครื่องเลเซอร์

ซึ่งนักวิจัยจากทั้งอังกฤษ เยอรมนี และอิตาลี เสนอว่าหลักการเดียวกันนี้ สามารถนำมาใช้ตรวจหา Dark Matter ได้ เนื่องจากสมบัติหนึ่งที่เชื่อว่า Dark Matter มี ก็คือการสร้างสนาม (Scalar field) ของ Dark Matter และมีอันตรกิริยาแบบอ่อน (Weak interaction) กับสสารและแสง และปรากฏในรูปแบบคลื่น เช่นเดียวกับคลื่นโน้มถ่วง

แต่แม้ว่าจะมีสมบัติที่คล้ายคลึงกัน แต่จากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่นำข้อมูลการทำงานของ LIGO มาตรวจสอบกับแบบจำลองที่คาดว่าจะเกิดขึ้นเมื่อสนามจาก Dark Matter สร้างคลื่นออกมา ก็ทำให้ทีมนักวิจัยพบว่า LIGO ในปัจจุบันไม่มีความสามารถเพียงพอจะตรวจจับคลื่นจาก Dark Matter ได้โดยตรง 

อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จากการคำนวณเสนอว่า ในการทำงานของ LIGO ครั้งถัดไป ซึ่งตามแผนงานแล้วจะเริ่มเดินเครื่องอีกครั้งในปี 2028 การทำงานของเครื่องที่ย่านความถี่การตอบสนอง 10 - 180 เฮิร์ตซ์ (Hz) จะต้องทำให้ความเข้มสัญญาณเพิ่มขึ้นอีก 10,000 เท่า จึงอาจจะมีการตรวจจับได้โดยตรงได้

สรุปวิธีการหา Dark Matter ด้วยเครื่องเลเซอร์

โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งที่นักวิจัยเสนอก็คือ การปรับปรุงความละเอียด (Sensitivity) ของ LIGO เช่น การปรับปรุงความหนาของกระจกที่ปลายแขนตัวเครื่อง เพื่อให้สามารถตรวจจับคลื่นจาก Dark Matter ได้หากมีการทดลองของ LIGO ครั้งถัดไปในปี 2028 ซึ่งเมื่อเดินเครื่องแล้ว LIGO อาจจะสามารถตรวจจับ Dark Matter ได้โดยตรงเมื่อทำตามข้อกำหนดที่ทีมนักวิจัยเสนอ โดยงานวิจัยดังกล่าวตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการฟิสิกคอล รีวิว เล็ตเตอร์ส (Physical Review Letters) แล้วเมื่อเดือนกันยายนปี 2024 ที่ผ่านมา

ทั้งนี้ ค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องรวมถึงบำรุงรักษา LIGO อยู่ที่ปีละ 45 ล้านดอลลาร์สหรัฐ หรือประมาณ 1,450 ล้านบาท และในอดีต ตั้งแต่การก่อสร้างไปจนถึงการตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงได้ครั้งแรก ต้องใช้ระยะเวลาประมาณ 10 ปี และงบประมาณรวมกว่า 1,100 ล้านดอลลาร์สหรัฐ หรือกว่า 36,000 ล้านบาท