เจอสัญญาณแปลกแค่ 1 ครั้ง ทำไมนักฟิสิกส์ถึงตื่นเต้น — และทำไมยังห้ามเรียกว่า “ค้นพบ Dark Matter”?

ในโลกฟิสิกส์ บางครั้งเหตุการณ์เพียงครั้งเดียวก็เพียงพอจะทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งวงการหันมามอง

ต้นเดือนกันยายน 2569 ทีม LUX-ZEPLIN หรือ LZ ซึ่งกำลังตามหาอนุภาคสสารมืดใต้ดินลึกเกือบ 1 ไมล์ในรัฐเซาท์ดาโคตา รายงานว่า พวกเขาพบเหตุการณ์หนึ่งที่อธิบายด้วยสัญญาณพื้นหลังปกติได้ยาก

เหตุการณ์นี้มีลักษณะสอดคล้องกับ nuclear recoil หรือการที่นิวเคลียสของอะตอมซีนอนถูกบางสิ่งชนจนสะบัด และมีพลังงานประมาณ 248 keV

คำถามจึงเกิดขึ้นทันทีว่า

“นี่อาจเป็น Dark Matter ที่เราตามหามานานหรือเปล่า?”

คำตอบตอนนี้คือ — อาจเป็นไปได้ แต่ยังเร็วเกินไปมากที่จะพูดว่าเจอแล้ว

ก่อนอื่น Dark Matter คืออะไร?

จากการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี การเลนส์ความโน้มถ่วง และโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ นักดาราศาสตร์มีหลักฐานจำนวนมากว่า มีสสารบางอย่างที่มองไม่เห็นแต่สร้างแรงโน้มถ่วงอยู่จริง

สิ่งนั้นถูกเรียกว่า dark matter หรือสสารมืด

มันคิดเป็นประมาณ 85% ของมวลสสารในเอกภพ แต่ถึงวันนี้ เรายังไม่รู้ว่ามันประกอบด้วยอนุภาคอะไร และยังไม่มีการตรวจจับอนุภาค dark matter โดยตรงที่ยืนยันได้เด็ดขาด

หนึ่งในผู้ต้องสงสัยสำคัญคืออนุภาคที่เรียกว่า WIMP — Weakly Interacting Massive Particle

แนวคิดคือ ถ้า WIMP ลอยผ่านโลกและบังเอิญชนกับอะตอมสักครั้ง เราอาจเห็นร่องรอยเล็กมากจากการชนนั้น

LZ จึงสร้างเครื่องตรวจจับที่เต็มไปด้วยซีนอนเหลว

LZ ใช้ซีนอนเหลวบริสุทธิ์หลายตันเป็นเป้าหมายสำหรับรอการชนของอนุภาค

เมื่ออนุภาคบางอย่างถ่ายเทพลังงานให้อะตอมซีนอน สิ่งที่เครื่องมองหาคือสัญญาณจากการชน เช่น แสงวาบและอิเล็กตรอน ที่เกิดขึ้นภายในตัวตรวจจับ

หากนิวเคลียสของซีนอนถูกชนจนสะบัด จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า nuclear recoil

แสงวาบช่วงแรกถูกเรียกว่า S1 ส่วนอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจะลอยขึ้นด้านบน ก่อนสร้างสัญญาณแสงอีกชุดหนึ่งที่เรียกว่า S2

จากสัญญาณทั้งสอง นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินตำแหน่ง พลังงาน และลักษณะของเหตุการณ์ เพื่อพยายามแยกว่าเป็นอนุภาคธรรมดาที่รู้จักอยู่แล้ว หรืออาจเป็นสิ่งใหม่

เพื่อให้สัญญาณรบกวนน้อยที่สุด LZ ถูกติดตั้งลึกลงไปใต้ดินที่ Sanford Underground Research Facility ในรัฐเซาท์ดาโคตา

ชั้นหินเหนือเครื่องตรวจจับช่วยลดรังสีคอสมิกจากอวกาศ ขณะที่ระบบตรวจจับรอบนอกช่วยคัดกรองเหตุการณ์ที่อาจเลียนแบบสัญญาณ dark matter

แล้ว “เหตุการณ์เดียว” ที่เจอคืออะไร?

ทีมวิเคราะห์ข้อมูลจากการทำงานจริงประมาณ 220 วัน ซึ่งเก็บระหว่างเดือนมีนาคม 2566 ถึงเมษายน 2567

ในการวิเคราะห์รอบนี้ นักวิจัยขยายช่วงพลังงานที่สนใจ เพื่อมองหา WIMP และกระบวนการบางแบบที่อาจสร้าง nuclear recoil พลังงานสูงกว่าการค้นหาแบบเดิม

ผลคือ พบเหตุการณ์หนึ่งที่มีพลังงานประมาณ 248 keV

สิ่งที่ทำให้มันน่าสนใจคือ บริเวณพลังงานดังกล่าวมี background ที่คาดไว้น้อยมาก

หลังจากตรวจสอบแหล่งรบกวนที่เป็นไปได้ ทีมยังไม่พบคำอธิบายธรรมดาที่น่าพอใจสำหรับเหตุการณ์นี้

ถ้าแปลกขนาดนี้ ทำไมยังไม่เรียกว่า “ค้นพบ”?

เพราะฟิสิกส์อนุภาคไม่ตัดสินจากความรู้สึกว่า “มันดูแปลก”

นักวิทยาศาสตร์ต้องถามต่อว่า โอกาสที่ background ธรรมดาจะสร้างสิ่งที่ดูเหมือนสัญญาณขึ้นมาโดยบังเอิญ มีมากน้อยแค่ไหน

เมื่อคิดผลจากการค้นหาหลายช่วงและสิ่งที่เรียกว่า look-elsewhere effect แล้ว ผลของ LZ ครั้งนี้มีค่า global significance ประมาณ 2.6 sigma

ระดับนี้ถือว่า น่าสนใจและควรติดตาม แต่ยังห่างจากมาตรฐานที่วงการฟิสิกส์มักใช้สำหรับคำว่า “discovery” ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 5 sigma

ทีม LZ เองจึงย้ำชัดว่า ยังไม่ได้ค้นพบ Dark Matter

ทำไม “แค่ 1 เหตุการณ์” ยังสำคัญ?

เพราะถ้า dark matter มีปฏิสัมพันธ์กับสสารธรรมดาน้อยมากอย่างที่หลายทฤษฎีเสนอ เราไม่ได้คาดว่าจะเห็นเหตุการณ์เป็นพันหรือเป็นหมื่นครั้ง

สิ่งที่นักวิจัยตามหาอาจหายากมากจนเหตุการณ์จริงเพียงไม่กี่ครั้งก็มีความหมายได้

ยิ่งเครื่องตรวจจับเข้าใจ background ของตัวเองได้ละเอียด เหตุการณ์ที่โผล่ออกมาในบริเวณซึ่งแทบไม่ควรมีอะไรอยู่ ก็ยิ่งน่าสนใจ

แต่ปัญหาคือ ถ้ามีข้อมูลเพียงจุดเดียว เรายังแยกได้ยากว่า นั่นคือฟิสิกส์ใหม่จริง หรือเป็น background ชนิดหายากที่แบบจำลองยังไม่เข้าใจดีพอ

ถ้ามันเป็น WIMP จริง จะบอกอะไรเรา?

นักวิจัยระบุว่า ถ้าเหตุการณ์นี้เกิดจาก WIMP จริง อนุภาคนั้นอาจต้องมีมวลอย่างน้อยประมาณ 200 GeV/c² หรือมากกว่ามวลโปรตอนกว่า 200 เท่า

มันยังอาจชี้ไปยังรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนกว่าการชนแบบมาตรฐานง่าย ๆ ที่การทดลอง WIMP มักใช้เป็นจุดเริ่มต้น

หลังผลนี้ถูกเผยแพร่ นักฟิสิกส์ทฤษฎีก็เริ่มเสนอแบบจำลองหลายแบบเพื่อดูว่า dark matter ชนิดต่าง ๆ สามารถสร้าง recoil พลังงานระดับนี้ได้หรือไม่

แต่ทั้งหมดนี้ยังเป็น การตีความที่ต้องทดสอบต่อ ไม่ใช่หลักฐานยืนยันว่าเหตุการณ์ดังกล่าวมาจาก dark matter

2.6 sigma ยังห่างจากคำว่า “ค้นพบ” แค่ไหน?

ภาพรวมของสถานการณ์ตอนนี้ค่อนข้างตรงไปตรงมา

พบ 1 เหตุการณ์แปลก → ได้ระดับนัยสำคัญประมาณ 2.6 sigma → น่าสนใจ → แต่ยังไม่ใช่ discovery

สิ่งที่ต้องทำต่อคือเก็บข้อมูลเพิ่ม ตรวจหาเหตุการณ์ที่คล้ายกัน และพยายามตัดแหล่ง background ทุกแบบที่เป็นไปได้ออกไป

ถ้าในอนาคตมีเหตุการณ์ลักษณะเดียวกันเพิ่มขึ้น และรูปแบบของมันสอดคล้องกับสิ่งที่ทฤษฎี dark matter คาดไว้ ค่า significance ก็อาจค่อย ๆ สูงขึ้น

แต่ถ้าเวลาผ่านไปแล้วไม่มีเหตุการณ์แบบนี้อีก หรือพบคำอธิบายใหม่จาก background ผลที่ดูน่าตื่นเต้นในวันนี้ก็อาจค่อย ๆ จางลง

ความน่าตื่นเต้นของเรื่องนี้ จึงอยู่ตรงที่มันยังไม่จบ

ในข่าวทั่วไป การพบสิ่งแปลกเพียงครั้งเดียวอาจถูกพาดหัวว่า “พบสิ่งลึกลับแล้ว” ได้ง่าย

แต่ในฟิสิกส์ การรู้ว่าเมื่อไรควรหยุดก่อนใช้คำว่า “ค้นพบ” เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการวิทยาศาสตร์เอง

LZ มีเหตุการณ์หนึ่งที่น่าสนใจมาก

มันเกิดในบริเวณที่ background ต่ำ มีลักษณะเหมือน nuclear recoil และยังไม่มีคำอธิบายธรรมดาที่น่าพอใจ

แต่หนึ่งเหตุการณ์ยังไม่เพียงพอจะตอบคำถามที่มนุษย์ตามหามานานหลายสิบปีว่า Dark Matter คืออะไร

ตอนนี้สิ่งที่ดีที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์ทำได้ คือเก็บข้อมูลต่อ และดูว่าเหตุการณ์แปลกนี้จะกลายเป็น จุดแรกของรูปแบบใหม่ หรือสุดท้ายจะเหลือเพียงจุดโดดเดี่ยวในข้อมูล