"เซิร์น" สร้างสภาพเย็นยะเยือกยิ่งกว่าอวกาศห้วงลึก สู่ต้นกำเนิดบิกแบง

ห้องทดลองทางฟิสิกส์ภายในท่อขนาดใหญ่ที่ขดเป็นวงกลมอยู่ใต้ดินของชายแดนสวิส-ฝรั่งเศสกำลังจะกลายเป็นบริเวณที่เย็นยะเยือกที่สุดแห่งหนึ่งในจักรวาล เมื่อเซิร์นเตรียมเดินเครื่องเร่งอนุภาคในเดือน ส.ค.นี้

"เซิร์น" (CERN) หรือองค์กรความร่วมมือระหว่างประเทศในทวีปยุโรปเพื่อวิจัยและพัฒนาทางด้านนิวเคลียร์ (European Center for Nuclear Research) ได้เตรียมความพร้อมให้กับเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (Large Hadron Collider: LHC) ซึ่งเข้าสู่ระยะสุดท้ายก่อนเดินเครื่องตามกำหนดในเดือน ส.ค.นี้ โดยได้ลดอุณหภูมิให้กับเครื่องเร่งอนุภาคลงไปอยู่ที่ 1.9 เคลวินหรือ -271 องศาเซลเซียส นับเป็นอุณหภูมิที่เย็นยิ่งกว่ากว่าอวกาศห้วงลึกเสียอีกตามรายงานของบีบีซีนิวส์

ปัจจุบันเซคเตอร์ 6 ส่วนของแอลเอชซีจากทั้งหมด 8 ส่วนมีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 4.5-1.9 เคลวิน โดยเมื่อ 2-3 เดือนก่อนที่บางระยะเซคเตอร์ทั้งหมดของเครื่องจักรจะถูกลดอุณหภูมิลงไป 1.9 เคลวิน ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่ในอวกาศส่วนนอกที่อยู่ไกลออกไปนั้นมีอุณหภูมิประมาณ 2.7 เคลวินหรือ -270 องศาเซลเซียส

เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีซึ่งประกอบด้วยแม่เหล็กนับพันๆ ชิ้นจะถูกรักษาสภาพอันเย็นยะเยือกนี้ด้วยฮีเลียมเหลว โดยแม่เหล็กเหล่านั้นถูกจัดเรียงภายในอุโมงค์ยักษ์ยาว 27 กิโลเมตรที่ขดเป็นวงอยู่ใต้ดินระหว่างสวิตเซอร์แลนด์และฝรั่งเศสลึกลงไป 100 เมตร ซึ่งเครื่องมือทดลองทางฟิสิกส์ที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยสร้างมานี้จะสร้างเงื่อนไขเสมือนเพิ่งเกิดบิกแบง (Big Bang) อีกครั้ง

เมื่อเดินเครื่องแอลเอชซีจะเร่งลำอนุภาคโปรตอน 2 ลำให้มีพลังงานสูงและเคลื่อนที่ไปตามท่อผ่านแม่เหล็กทั้งหลาย โดยลำอนุภาคทั้ง 2 จะเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามกันด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง และสักจุดหนึ่งภายในอุโมงค์ลำอนุภาคทั้งสองจะสวนทางกัน แล้วชนกันด้วยแรงมหาศาล ซึ่งนักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้เห็นอนุภาคใหม่จากเศษซากของการชนกันนี้ อันจะเผยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในพื้นฐานของจักรวาลและจักรวาลเป็นอยู่อย่างนี้ได้อย่างไร

โรเบอร์โต ซาบัน (Roberto Saban) หัวหน้าคณะกรรมการอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีอธิบายว่า เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงโดยไม่กินพลังงานมากเกินไปนั้น แม่เหล็กจำเป็นต้องอยู่ในสภาพตัวนำยิ่งยวด (superconducting) ซึ่งคุณสมบัตินี้ได้แสดงให้เห็นในวัสดุบางชนิดว่าที่อุณหภูมิต่ำๆ นั้นการไหลของกระแสไฟฟ้าจะมีความต้านทานเป็นศูนย์และสูญเสียพลังงานเพียงน้อยนิด

"ที่อุณหภูมิ 2.2 เคลวินฮีเลียมแสดงคุณสมบัติอันน่าตื่นเต้นด้วยการกลายเป็น "ของเหลวยิ่งยวด" (superfluid) ซึ่งจะนำความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ฮีเลียมเป็นตัวทำความเย็นที่ทรงประสิทธิภาพอย่างดีเยี่ยม ไม่มีการทดลองทางฟิสิกส์อนุภาคในระดับนี้ที่ดำเนินการด้วยความเย็นอย่างนี้ แต่ฮาร์ดแวร์ก็มีประสิทธิภาพตามการคาดการณ์อันยาวนานก่อนหน้านี้" บีบีซีนิวส์รายงานคำอธิบายของซาบัน

ซาบันอธิบายอีกว่า ระบบการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคนี้ ออกแบบอย่างระมัดระวัง โดยมีพื้นฐานจากการทดลองเครื่องมือต้นแบบ ทั้งนี้หากมีความผิดพลาดเกิดขึ้นกับเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์นี้ ต้องใช้เวลาแก้ไขประมาณ 3 เดือน โดยเริ่มต้นต้องใช้เวลา 3-4 สัปดาห์เพื่ออุ่นเครื่อง จากนั้นก็ใช้เวลา 1-2 สัปดาห์เพื่อเปลี่ยนแปลง แล้วใช้เวลาอีก 3-6 เดือนลดอุณหภูมิของเครื่องมือลง

อย่างไรก็ดีตอนนี้เซคเตอร์ของแอลเอชซี 2 เซคเตอร์ยังไม่เย็นพอที่จะทำการทดสอบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งควบคุมระบบความเย็นในเซคเตอร์ต่างๆ กำลังถูกย้ายไปยังบริเวณที่เซคเตอร์เหล่านั้นจะเป็นฉนวนได้ดีที่สุด เมื่อมีอนุภาคถูกยิงออกมาจากเครื่องจักรระหว่างการชนกัน

ทั้งนี้แต่ละเซคเตอร์ของเครื่องจักรประกอบด้วยวงจรไฟฟ้าประมาณ 200 วงจร และแต่ละวงจรประกอบด้วยแม่เหล้กที่อาจมากถึง 154 ชิ้น แม่เหล็กของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีจะผ่านการทดสอบทางด้านไฟฟ้าอย่างหนักหน่วง โดยมีการทดสอบความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงถึง 12,000 แอมแปร์

"เราให้กำลังสำหรับแต่ละวงจรเพื่อสร้างความมั่นใจว่า วงจรเหล่านี้ทำงานตามที่ได้รับการออกแบบมา แต่เหนือสิ่งอื่นใดทั้งหมดคือเรากำลังพิสูจน์ว่าระบบปกป้องรอบๆ วงจรซึ่งจะตรวจวัดการเย็นลงอย่างทันทีนั้นดำเนินงานตามที่คาดไว้" ซาบันกล่าว

โดยการเย็นลงอย่างทันทีนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อส่วนใดส่วนหนึ่งของแม่เหล็กเริ่มร้อนขึ้น ซึ่งความร้อนจะกลายเป็นความต้านทานกระแสไฟฟ้า โดยวิศวกรได้สร้างระบบกู้คืนเพื่อตรวจวัดการเย็นลงอย่างทันใดนี้ ก่อนที่จะมีผลกระทบต่อสนามแม่เหล็กที่ทำหน้าที่เบนอนุภาคให้เคลื่อนที่ไปรอบๆ อุโมงค์และทำให้ลำอนุภาคเคลื่อนที่เป็นวง

การลดอุณหภูมิเครื่องจักรให้เย็นลงนั้นใช้เวลาราว 2 สัปดาห์จึงเสร็จสมบูรณ์ และยังไม่พบปัญหาที่น่าหวั่นวิตก การทดสอบทางไฟฟ้าให้กับแม่เหล็กอาจเกิดขึ้นในอีก 2 สัปดาห์ถัดไป และก่อนที่เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีจะเดินเครื่องเป็นครั้งแรก ลำอนุภาคโปรตอนจะได้รับการเพิ่มพลังงานให้สูงขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคที่ต่อกันเป็นลูกโซ่ซึ่งเรียกว่า "อินเจคเตอร์" (injector)

เมื่อเครื่องจักรเย็นลงแล้วเครื่องจักรควบคุมจะพ่นลำอนุภาคเข้าวงแหวนหลัก และเคลื่อนอนุภาคเหล่านั้นผ่านเซคเตอร์ที่เป็นอิสระต่อกันของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีจนกระทั่งกลายเป็นวงกลม โดยระบบควบคุมจังหวะถูกใช้เพื่อความมั่นใจว่าเซคเตอร์ต่างๆ นั้นมีพฤติกรรมเหมือนเครื่องจักรเดี่ยว

เครื่องแอลเอชซีจะเดินเครื่องและดำเนินการที่พลังงานระดับ 5 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) จากนั้นก็จะปิดลงในช่วงฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ ซึ่งแม่เหล็กก็ได้รับการเตรียมพร้อมให้รับมือกับการเดินเครื่องที่ระดับพลังงาน 7 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ และจากข้อมูลของเนเจอร์ (Nature) ระบุว่าข้อมูลที่ได้จากการชนกันของอนุภาคโปรตรอนนั้นจะมีมากถึงวินาทีละ 700 เมกะไบต์.



คลิปอธิบายการทำงานของสถานีตรวจวัดอลิซภายในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี - ความยาว 7.35 นาที




* หมายเหตุ - ภาพประกอบทั้งหมดจากเซิร์น