เครื่องเร่งอนุภาคใหญ่ที่สุดในโลกเดินเครื่องอีกครั้ง

ภายหลังการค้นพบฮิกส์โบซอนหรืออนุภาคพระเจ้าในปี 2012 นักฟิสิกส์กลับมาเดินเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีชื่อว่า LHC (Large Hadron Collider) ที่นครเจนีวาอีกครั้ง ขณะนี้ยักษ์ใหญ่ LHC กำลังเร่งอนุภาคโปรตอนด้วยความเร็ว 1.5 เท่าของที่ผ่านมา เพื่อค้นหา “สสารคู่แฝด” ที่ยังเป็นปริศนาสำหรับนักฟิสิกส์อนุภาค

คุณเห็นไหม? โรซาริโอ ปรินซิเป เอ่ยถาม “อาจจะนะ” ผมหลิ่วตา ตอบเหมือนพลแม่นปืนกำลังเล็งเป้า

สิ่งที่ผมกำลังเล็งคือแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดความยาว 16 เมตร ซึ่งบิดโค้ง 9 มิลลิเมตรตลอดความ ยาว ปรินซิเป

ซึ่งเป็นวิศวกรประจำโครงการขององค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN) ทำหน้าผิดหวังเล็กน้อย แล้วเดินผ่านไป วันนี้นิตยสารไซแอนซ์ อิลลัสเตรเต็ด มาเยี่ยมชม CERN และตอนนี้เราก็อยู่ที่ศูนย์แม่เหล็กใหญ่ ซึ่งเครื่องไม้เครื่องมืออาจจะดูเก่าสักนิด แต่อย่าให้ภาพที่เห็นหลอกตาคุณ เพราะที่นี่คือโรงงานผลิตแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ดีที่สุดในโลกครับ

แม่เหล็กเหล่านี้สร้างด้วยแม่พิมพ์ขนาดยักษ์ รัศมีความโค้ง 9 มิลลิเมตรเท่ากันทุกชิ้น เมื่อนำมาต่อกันเป็นวงกลมจะมีความยาวเท่ากับ 27 กิโลเมตร เท่ากันพอดีกับเส้นรอบวงของเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลกอย่าง LHC นั่นเอง ขนาดเส้นรอบวงของเครื่องมีความสำคัญมาก เพราะอนุภาคโปรตอนที่วิ่งผ่านแม่เหล็กมีพลังงานมหาศาล จนแม้แต่แม่เหล็กที่ทรงพลังที่สุดก็ยังไม่สามารถบีบทางเดินของอนุภาคให้แคบลงกว่านี้ได้

ในปี 2012 นักฟิสิกส์ค้นพบอนุภาคฮิกส์โบซอน ด้วยเครื่อง LHC การศึกษาขั้นต่อมาคือการค้นหาอนุภาคที่สมมาตรยิ่งยวด (supersymmetric particle) หรือที่เรียกกันว่า อนุภาคคู่แฝด แต่ภารกิจนี้ต้องใช้พลังงานสูงเกินความสามารถของเครื่อง LHC ในปี 2012 นักฟิสิกส์และวิศวกรที่ CERN จึงต้องปิดเครื่องเพื่อทำการปรับปรุงเป็นเวลาเกือบ 2 ปี

อัพเกรดเพิ่มพลังเครื่อง

ในตอนแรก เครื่อง LHC ได้รับการออกแบบมา เพื่อเร่งอนุภาคโปรตอนด้วยพลังงาน 14 ล้านล้าน อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หรือ 14 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) (แบต เตอรี่ขนาด AA 1 ก้อน

สามารถเร่งอนุภาคโปรตอนให้เกิดพลังงาน 1.5 eV) ในการทดสอบรอบแรกซึ่งมีขึ้นระหว่างปี 2009-2013 นักฟิสิกส์ใช้พลังงานในการชนกันเพียง 8 TeV เนื่องจากก่อนหน้านั้นเคยเกิดอุบัติเหตุครั้งรุนแรงระหว่างเตรียมเครื่องสำหรับการทดลองในปี 2008 โดยขั้วต่อไฟฟ้าระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้า 2 ตัวเกิดความเสียหาย ส่งผลให้ค่าความต้านไฟฟ้าในเนื้อโลหะพุ่งสูงเกินขนาด แม่เหล็กสูญเสียประสิทธิภาพในการทำงาน และร้อนจัดขึ้นภายในเสี้ยววินาที ทำให้เกิดการระเบิดแก๊สฮีเลียมปริมาณ 6 ตันรั่วออกมา การซ่อมเครื่องใช้เวลา 1 ปี สิ้นค่าใช้จ่ายราว 16.6 ล้านยูโร และนับจากนั้นเป็นต้นมา LHC ก็ใช้พลังงานในการเร่งอนุภาคเพียง 8 TeV

ระหว่างปิดซ่อม วิศวกรได้เพิ่มข้อต่อไฟฟ้าถึง 1 หมื่นคู่ และเพิ่มระบบความปลอดภัยเข้าไปอีกเพื่อป้องกันการเกิดอุบัติเหตุซ้ำ และมีการติดตามดูการทำงานของเครื่องตลอดเวลา

ซูว์เน จาคอบเซน นักฟิสิกส์ประจำองค์กร CERN กล่าวว่า “ฝ่ายรักษาความปลอดภัยสามารถปิดเครื่องได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้รีเลย์ชนิดกลไกแบบเดิม ถ้ามีอะไรผิดปกติขึ้นมา เราก็ไม่อยากจะพึ่งซอฟต์แวร์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์เท่านั้น”

 

เมื่อต้นปีแล้ว LHC กลับมาเดินเครื่องใหม่อีกครั้ง และในเดือนพ.ค. 2015 เครื่องก็พิสูจน์ให้เห็นว่าสามารถเร่งอนุภาคด้วยพลังงาน 13 TeV ได้สำเร็จ

เก็บข้อมูลในเครือข่ายขนาดยักษ์

กลิ่นข้าว ไก่ย่าง และพิซซ่าอบใหม่ๆ โชยมาแตะจมูก ท่ามกลางเสียงจอแจและความวุ่นวายตามปกติของโรงอาหาร CERN ในช่วงพักกลางวันโรงอาหารแห่งนี้ต้องจัดอาหารให้นักฟิสิกส์และวิศวกรจากประเทศต่างๆ กว่า 100 ประเทศรับประทานให้เสร็จภายในไม่กี่ชั่วโมง และทุกคนก็พยายามจะไม่เดินชนกันขณะที่ต่างก็ถือถาดอยู่ในมือ

ภาพที่เห็นในโรงอาหารช่วงพักเที่ยงไม่ต่างอะไรมากนักกับสิ่งที่เกิดขึ้น ณ สถานที่ที่เป็นหัวใจของ CERN ซึ่งอยู่ลึกลงไปใต้ดินถึง 100 เมตร จะว่าไปแล้วการชนกันในเครื่องข้างล่างก็เกิดไม่บ่อยนัก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะเมื่อดูลึกลงไปในระดับอะตอมจะเห็นว่าแม้โปรตอนจะรวมตัวกันหนาแน่น แต่ระยะห่างระหว่างโปรตอนนั้นจัดว่ามหาศาล ในการทดลองที่ CERN จึงมีการชนกันของโปรตอนเพียงร้อยละ 1 ของจำนวนทั้งหมด แต่ถึงกระนั้นก็ยังนับได้ถึง 1,000 ล้านครั้ง/วินาทีเลยทีเดียว

ครื่อง LHC ประกอบด้วยสถานีตรวจวัดขนาดมหึมา 4 สถานี แม้แต่สถานีที่เล็กที่สุดก็ยังหนักถึง 5,600 ตัน หรือเท่ากับเครื่องบินโบอิ้ง 777 ที่เติมน้ำมันเต็มถังถึง 16 ลำ สถานีตรวจวัดไม่สามารถเก็บข้อมูลการชนกันไว้ให้นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์หาอนุภาคคู่แฝดได้ทั้งหมด โดยคอมพิวเตอร์สามารถเก็บข้อมูลการชนกันได้เพียง 1,000 ครั้ง จากทั้งหมด 1,000 ล้านครั้ง/วินาที นอกจากนี้ อนุภาคที่เกิดจากการชนกันส่วนใหญ่ก็เป็นอนุภาค “พื้นๆ” อย่างโฟตอนและอิเล็กตรอน ความท้าทายจึงอยู่ที่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ให้สามารถเลือกเฉพาะการชนที่น่าสนใจ (คือการชนที่ทำให้เกิดอนุภาคแปลกๆ) โดยดูผลิตผลที่เกิดจากการสลายตัวของอนุภาค แล้วคำนวณย้อนหลังว่าเกิดอะไรขึ้น

วิธีนี้เปรียบได้กับการใช้คอม พิวเตอร์พิจารณาซากนาฬิกาปลุก 2 เรือน ที่เกิดการชนกันจนเศษชิ้นส่วนกระจายเกลื่อนพื้น นักฟิสิกส์เพียงแค่มองดูตำแหน่งของชิ้นส่วนต่างๆ ก็สามารถคำนวณย้อนกลับและหาได้ว่านาฬิกาทั้ง 2 เรือนหน้าตาเป็นอย่างไรก่อนเกิดการชน และวิธีนี้ก็เป็นวิธีเดียวกันกับที่นักวิทยาศาสตร์เคยใช้ ค้นหาอนุภาคฮิกส์โบซอนจนพบเมื่อปี 2012 นั่นเอง

Large ชื่อเครื่องเร่งอนุภาคเครื่องนี้ขึ้นต้นด้วยคำว่า “Large” เพราะมันมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก เส้นรอบวงยาวถึง 27 กิโลเมตร แต่ถึงกระนั้นโปรตอนก็ยังวิ่งวนรอบเครื่อง LHC ถึง 11,245 รอบ/วินาที ด้วยความเร็วร้อยละ 99.9999991 ของความเร็วแสง

Hadron ชื่อกลางของเครื่องนี้คือ Hadron เพราะมันทำหน้าที่เร่งแฮดรอน หรืออนุภาคมีประจุที่มีความเสถียร เนื่องจากแฮดรอนมีคุณสมบัติเช่นนี้ แม่เหล็กใน LHC จึงสามารถดึงและผลักอนุภาคชนิดนี้ได้

Collider คำสุดท้ายในชื่อคือ Collider มาจากการที่เครื่องนี้เร่งอนุภาคให้ชนกันเพื่อให้เกิดอนุภาคใหม่ๆ นั่นเอง พลังงานจากลำโปรตอนแต่ละลำมีค่าเท่ากับรถไฟหนัก 400 ตัน ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 150 กิโลเมตร/ชั่วโมง