สุทัศน์ ยกส้าน
ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสถาน

เครื่องเร่งอนุภาค LHC

ท่อเร่งอนุภาคโปรตอนของ LHC

สสารทุกชนิดในเอกภพประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน ๒ ชนิด คือ ควาร์ก (quark) กับเลปตอน (lepton) ซึ่งควาร์กมีชนิดย่อยอีก ๖ ชนิด คือ up, down, strange, charm, top และ bottom  ส่วนเลปตอนนั้นก็มี ๖ ชนิดย่อยเช่นกันคือ electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tau และ tau neutrino ทฤษฎีฟิสิกส์ยังแสดงให้เห็นว่าอนุภาคเหล่านี้มีแรงกระทำ ๔ ชนิด คือ แรงโน้มถ่วง แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน แรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง และแรงไฟฟ้า แต่แรงโน้มถ่วงมีความรุนแรงเพียงน้อยนิดเมื่อเปรียบเทียบกับแรงอื่น ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงถือว่าควาร์กมีอันตรกิริยา (แรง) ที่กระทำเพียง ๓ แรง ส่วนเลปตอนมีแรงกระทำเพียง ๒ แรง คือแรงไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง

ในอดีตเมื่อประมาณ ๓๐ ปีมาแล้ว นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้พัฒนาทฤษฎีหนึ่งชื่อ Standard Model เพื่อใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างแข็งว่าเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon ๘ ชนิดและแรงไฟฟ้า กับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนว่าเกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค ๔ ชนิด คือ photon, Z boson, W+boson และ W-boson ซึ่งอนุภาคเหล่านี้ทุกตัวนักฟิสิกส์ได้พบและศึกษาคุณสมบัติของมันครบถ้วนตรงตามที่ทฤษฎี Standard Model ทำนายไว้ทุกประการ ทฤษฎีนี้จึงเป็นทฤษฎีฟิสิกส์ที่ให้คำพยากรณ์เกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานแม่นยำที่สุดในโลก

แต่ทฤษฎีก็ยังทำนายอีกว่า มีอนุภาคอีกตัวหนึ่งในธรรมชาติ ซึ่ง Peter Higgs แห่งมหาวิทยาลัยเอดินบะระได้เสนอว่ามี แต่ก็ยังไม่มีใครเห็นอนุภาคตัวนี้เลยตลอดเวลา ๔๐ ปีที่ผ่านมา ดังนั้นวงการฟิสิกส์จึงถือว่า ถ้านักฟิสิกส์ยังไม่พบ Higgs boson ทฤษฎี Standard Model ก็ยังไม่สมบูรณ์ ๑๐๐ %

มาบัดนี้ วันเวลาแห่งการรอคอย Higgs boson ก็ได้มาถึงแล้ว เพราะเมื่อวันที่ ๑๘ มิถุนายนที่ผ่านมา เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกชื่อ Large Hadron Collider หรือ LHC ก็ได้เริ่มทำงานเพื่อค้นหา Higgs boson อันคำว่า Large ที่ใช้เรียกชื่ออุปกรณ์นับว่าเหมาะ เพราะตัวอุปกรณ์ประกอบด้วยท่อวงกลมรูปโดนัทที่มีเส้นรอบวงยาวถึง ๒๗ กิโลเมตร ส่วนคำว่า Hadron นั้นก็คืออนุภาคที่มีแรงกระทำแบบแรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง ซึ่งในที่นี้หมายถึงโปรตอนและควาร์ก สำหรับคำ Collider นั้นก็อธิบายการชนกันระหว่างอนุภาคโปรตอนที่มีความเร็ว ๙๙.๙๙๙๙๙๙ % ของความเร็วแสง โดยนักฟิสิกส์หวังว่าผลการชนนี้จะทำให้เกิดอนุภาค Higgs boson ที่ทุกคนรอคอย โดยอนุภาค Higgs boson จะสร้างสนาม Higgs ที่มีค่าสม่ำเสมอทุกหนแห่ง และเวลาอนุภาคใดผ่านเข้ามาในสนามนี้ แรงกระทำระหว่างสนามกับอนุภาคจะทำให้อนุภาคนั้นมีมวล การมี Higgs boson จึงสามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดโปรตอนจึงมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอน และเหตุใดอนุภาคแสงจึงไม่มีมวล เป็นต้น

เครื่องเร่งอนุภาค LHC นี้ต้องใช้เวลาก่อสร้างนาน ๒๐ ปี ด้วยเงิน ๓ แสนล้านบาท เพราะอนุภาคโปรตอนถูกเร่งจนมีความเร็วสูง ดังนั้นมันจะแผ่รังสีซึ่งจะเป็นอันตรายต่อชีวิต ด้วยเหตุนี้ตัวท่อจึงถูกฝังอยู่ใต้ดินที่ระดับลึกโดยเฉลี่ยเท่ากับ ๑๐๐ เมตร ในบริเวณใกล้ทะเลสาบเจนีวา ณ พรมแดนระหว่างสวิตเซอร์แลนด์กับฝรั่งเศส อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกเครื่องนี้จะให้นักวิทยาศาสตร์ ๕,๐๐๐ คนจาก ๒๖ ประเทศ มาทำงานร่วมกันภายใต้การควบคุมขององค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (European Organization for Nuclear Research) หรือที่โลกรู้จักในนามว่า CERN

อนึ่ง ในการเร่งโปรตอนให้พุ่งเป็นทางโค้งนั้น นักวิทยาศาสตร์ได้ติดตั้งแม่เหล็ก ๑,๒๓๒ แท่ง แต่ละแท่งยาว ๑๕ เมตร หนัก ๓๕ ตัน เรียงรายตามบริเวณเส้นรอบวงของท่อ และใช้ฮีเลียมเหลว ๑๘๕,๐๐๐ แกลลอนซึ่งมีอุณหภูมิ -๒๗๑ องศาเซลเซียส หล่อเลี้ยงให้แม่เหล็กเป็นตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กความเข้มสูงพอที่สามารถเลี้ยวเบนโปรตอนที่มีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสงได้

cern02

เมื่อโปรตอนชนกันใน LHC พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นอนุภาคต่างๆ มากมาย

เมื่อเริ่มการทดลอง โปรตอนจำนวน ๑๐๑๔ ตัว (๑๐๐ ล้านล้านตัว) จะถูกแบ่งออกเป็น ๒ กลุ่ม ให้แต่ละกลุ่มเคลื่อนที่สวนกัน โปรตอนกลุ่มใหญ่ยังถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยอีก ๓,๐๐๐ ส่วน ดังนั้นส่วนหนึ่ง ๆ จะมีโปรตอนประมาณ ๑ แสนล้านตัว ซึ่งเมื่อถูกเร่งจนมีพลังงานเท่ารถไฟความเร็วสูงของฝรั่งเศส (TGV) ที่มีมวล ๔๐๐ ตัน และมีความเร็ว ๑๔๐ กิโลเมตร/ชั่วโมง นั่นคือพลังงานของโปรตอน ๑ ตัวสามารถทำให้น้ำ ๒,๐๐๐ ลิตรเดือดได้สบาย ๆ การมีพลังงานที่มหาศาลเช่นนี้ ถึงโปรตอนจะมีประจุบวกเหมือนกัน แต่มันก็สามารถพุ่งเข้าใกล้กันจนอยู่ห่างระดับ ๑๐-๑๘ เมตร (attometer) ได้ซึ่งระยะทางนี้เป็นระยะทางที่อนุภาคอยู่ห่างกัน หลังจากเกิดบิ๊กแบงได้ ๑๐-๑๒ วินาที ดังนั้น LHC จึงสามารถแสดงให้เราเห็นได้ว่า หลังจากเกิดบิ๊กแบงเล็กน้อย เอกภพของเรามีลักษณะอย่างไร นอกจากนี้จุดที่น่าสนใจมากคือณ ขณะนั้นแรงในธรรมชาติมีเพียงแรงเดียว หาได้แตกแยกเป็น ๔ แรงดังที่เรารู้ในปัจจุบันไม่

อนึ่ง ในการบังคับให้โปรตอนพุ่งเป็นวงกลมนั้น โปรตอนจะเคลื่อนที่วนหลายรอบจนได้ระยะทาง ๑ หมื่นล้านกิโลเมตรก่อน แล้วจึงถูกบังคับให้พุ่งชนกัน ณ ตำแหน่ง ๔ แห่งบนเส้นรอบวง ดังนั้นในทุกวินาทีจะมีโปรตอนชนกัน ๖๐๐ ล้านครั้ง โดยพลังงานของโปรตอนจะถูกเปลี่ยนเป็นมวลตามสมการ E = mc2 จึงเกิดสะเก็ดและเศษชิ้นส่วนมากมายให้นักฟิสิกส์ใช้อุปกรณ์ตรวจจับ สังเกต บันทึก และวิเคราะห์เหตุการณ์ อุปกรณ์ทั้งสี่ชื่อ ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Ex-periment), CMS (Conpact Muon Solenoid) และ LHC-B นี้ถูกสร้างขึ้นไม่เหมือนกัน ดังนั้นการเห็นเหตุการณ์จึงเป็นอิสระจากกัน และนั่นหมายความว่า ถ้า ATLAS เห็น Higgs boson และ Higgs boson มีจริง ALICE, CMS และ LHC-B ก็ต้องเห็น Higgs boson ด้วย และเมื่อเหตุการณ์ชนกันเกิดขึ้นวินาทีละ ๖๐๐ ล้านครั้ง ดังนั้นอุปกรณ์ตรวจจับทั้งสี่จึงต้องวิเศษ ไว และละเอียดมาก ด้วยเหตุนี้มันจึงมีขนาดใหญ่เท่าตึก ๓ ชั้น และมีเหล็กมากกว่าที่มีในหอไอเฟลเสียอีก เพื่อให้นักฟิสิกส์สามารถวัดตำแหน่งของอนุภาคต่าง ๆ หลังจากชนได้ผิดไม่เกิน ๕๐ ไมครอน(๐.๐๕ มิลลิเมตร) จากการวิเคราะห์ ๑๐๐ ล้านข้อมูลต่อวินาทีด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทั่วโลก ซึ่งจะให้ผลที่ละเอียดและแม่นยำ เพราะได้คำนึงถึงผลกระทบต่าง ๆ เช่น อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ ซึ่งสามารถทำให้เส้นรอบวงของ LHC ยืดออก ๑ มิลลิเมตร และพลังงานของโปรตอนเพิ่มร้อยละ ๐.๐๒ เป็นต้น ทั้งนี้ก็เพื่อให้ข้อมูลมวลของ Higgs boson ผิดพลาดไม่เกินร้อยละ ๐.๐๐๒

cern03

อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาค ชื่อ ATLAS ที่มีขนาดมโหฬาร

เหตุใดนักฟิสิกส์จึงต้องสร้าง LHC ?

คำตอบสั้น ๆ มีเพียง ๒ ประการ คือ ต้องการจะเห็น Higgs boson ซึ่งจะทำให้ทฤษฎี Standard Model สมบูรณ์จนสามารถตอบคำถามยาก ๆ ได้ เช่น เหตุใดธรรมชาติจึงมีอะตอม อะไรทำให้สสารต่าง ๆ เสถียร และเหตุใดแรงโน้มถ่วงจึงรุนแรงน้อยกว่าแรงอื่น ๆ เป็นต้น และนอกเหนือจากการได้เห็น Higgs boson แล้ว นักฟิสิกส์บางคนก็หวังว่า อาจจะได้เห็นหลุมดำขนาดจิ๋ว (mini black hole) หรือกาฬสสาร (dark matter) หรืออนุภาค supersymmetric ที่นักทฤษฎีหลายคนคิดว่ามี ส่วนนักทฤษฎี String ก็คาดหวังว่า LHC คงเผยโฉมของมิติที่ ๕, ๖, ๗, … ๑๑ ซึ่งจะทำให้ทฤษฎี String ได้รับการพิสูจน์เสียที สิ่งเหล่านี้ถ้าปรากฏใน LHC จริงก็จะเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้น เพราะจะทำให้เราเข้าใจโครงสร้างของเอกภพดีขึ้น

แต่ถ้าอนุภาค Higgs boson ไม่มี โลกฟิสิกส์ก็จะปั่นป่วน เพราะอนุภาคควาร์กจะไม่มีมวล และอะตอมจะมีขนาดใหญ่ คือมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ ๑ เซนติเมตร ทำให้เราสามารถเห็นมันได้ด้วยตาเปล่า และโปรตอนก็จะหนักกว่านิวตรอน (ในความเป็นจริงนิวตรอนหนักกว่าโปรตอน) และอะตอมไฮโดรเจนก็ไม่มี เพราะอะตอมที่เบาที่สุดจะมีนิวตรอนและอิเล็กตรอน ซึ่งนั่นก็หมายความว่าไม่มีของแข็ง ของเหลว และก๊าซให้เห็นในธรรมชาติ

แต่เมื่อเหตุการณ์ที่กล่าวมานี้ไม่เกิด ดังนั้นนักฟิสิกส์ทุกคนจึงเชื่อและรู้ว่า Higgs boson มีแน่นอน

ย้อนอดีตไปเมื่อครั้งที่ C.F. Powell นักฟิสิกส์อังกฤษผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ๒๔๙๓ พบอนุภาคไพออน (pion) ที่ Hideki Yukawa ผู้พิชิตรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี ๒๔๙๒ ได้ทำนายว่ามีในธรรมชาติ และเป็นอนุภาคที่ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง Powell ได้กล่าวถึงการค้นพบของเขาว่า เมื่อเขานำแผ่นฟิล์มถ่ายรูปความไวสูงไปรับรังสีคอสมิกที่ยอดภูเขาสูง แล้วนำแผ่นฟิล์มไปล้างที่มหาวิทยาลัยบริสตอล ทันทีที่ได้เห็นอนุภาคตัวใหม่ เขามีความรู้สึกเหมือนได้ย่างเท้าเข้าสวนที่ยังไม่มีมนุษย์คนใดได้เหยียบย่างมาก่อน และได้เห็นผลไม้ลักษณะแปลก ๆ มากมาย ซึ่งก็เป็นจริง เพราะหลังจากการพบของ Powell แล้ว นักฟิสิกส์ก็ได้พบอนุภาคใหม่อีกมากมาย

มาบัดนี้ก็ถึงการทดลองของ LHC ที่ทุกคนคาดหวังบ้าง เพราะหลังจากที่ได้เห็นควาร์กชนิด top ในคืนวันคริสต์มาสเมื่อ ๑๓ ปีก่อน นักฟิสิกส์ก็ยังไม่พบอนุภาคตัวใหม่อีกเลย

ด้วยเหตุนี้ LHC จึงเป็นของขวัญวันคริสต์มาสที่นักฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานตั้งหน้าตั้งตาคอยจะเปิด ซึ่งผลอาจจะทำให้ทุกคนตื่นเต้นและสมหวัง เพราะได้เห็น Higgs boson อนุภาคที่ Leon Lederman เรียกว่า The God Particle และหลายคนอาจจะผิดหวัง ถ้า LHC ไม่ให้อนุภาคประหลาดอะไรเลยเพราะจะต้องตอบสังคมว่าเงินและเวลาที่ทุ่มเทไปแล้วนั้น ใครจะรับผิดชอบ