ลงลึกรายละเอียดเครื่องเร่ง "แอลเอชซี" กับนักฟิสิกส์ไทย

แม้การทดลองของ "เซิร์น" ต้องชะลอไปอีกหลายเดือน เนื่องจากอุบัติเหตุที่เกิดขึ้น หลังการเดินเครื่องยิงลำแสงแรก แต่หลายคนก็อาจยังไม่รู้จักเครื่องเร่งอนุภาค "แอลเอชซี" กันดีเท่าไหร่นัก นักฟิสิกส์ไทยจึงรวมตัว เพื่อเล่ารายละเอียดแบบเจาะลึกกันอีกครั้ง

หลายคนอาจยังคงตั้งคำถามว่า เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (Large Hadron Collider) ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่สุดในโลกของเซิร์น (CERN) หรือองค์กรความร่วมมือระหว่างประเทศในทวีปยุโรปเพื่อวิจัยและพัฒนาทางด้านนิวเคลียร์ (European Center for Nuclear Research) ที่ฝังตัวอยู่ภายในอุโมงค์ใต้พรมแดนสวิตเซอร์แลนด์และฝรั่งเศสนั้น มีความสำคัญอย่างไร สร้างขึ้นมาเพื่อวัตถุประสงค์ใดกันแน่

คำตอบเหล่านั้น ส่วนหนึ่งหาได้จากเวทีเสวนา "LHC กุญแจไขเอกภพ" ที่ผู้จัดการวิทยาศาสตร์ได้เข้าร่วม ซึ่งเป็นเวทีที่ศูนย์สื่อสารวิทยาศาสตร์ไทย สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สวทช.) ร่วมกับภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์ จัดขึ้น ณ ตึกมหามกุฏ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์ เมื่อวันที่ 9 ต.ค.51 ที่ผ่านมา

มุดอุโมงค์ไปรู้จัก "แอลเอชซี" แบบลงลึก

ดร.บุรินทร์ อัศวพิภพ นักฟิสิกส์อนุภาค จากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ผู้ร่วมเสวนากล่าวว่า การศึกษาของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีนั้นเป็นความร่วมมือระหว่างนักฟิสิกส์ทฤษฎีซึ่งนำเสนอแบบจำลองทางทฤษฎี กับนักทดลองซึ่งทำหน้าที่พิสูจน์ว่าแบบจำลองนั้นถูกต้องหรือไม่

"เซิร์นได้ศึกษาสิ่งที่เล็กที่สุด ทั้งนี้สสารทั่วไปประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเดิมเคยคิดว่าเล็กที่สุด แต่ต่อมาก็ได้เจออิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน แต่ก็ยังไม่เล็กที่สุด พบว่ายังมีควาร์ก แต่ยังไม่มีใครพบ ต้องรอผลทดลองจากเซิร์น คำถามคือว่า ควาร์กเล็กที่สุดหรือยัง ตอนนี้ยังตอบได้ไม่ชัดเจน ก็เชื่อก่อนว่าเล็กที่สุด จนกว่าจะได้พบอะไรใหม่" ดร.บุรินทร์กล่าว

สำหรับชื่อของเครื่องเร่งแอลเอชซีนั้น ดร.บุรินทร์อธิบายว่า "แอล" ย่อจาก "ลาร์จ" (Large) ซึ่งมาจากความใหญ่ โดยเครื่องเร่งอนุภาคมีความยาวถึง 27 กิโลเมตร ครอบคุลมชายแดน 2 ประเทศ "เอช" ย่อจาก "ฮาดรอน" (Hadron) ซึ่งเป็นชื่อเรียกรวมๆ ของกลุ่มอนุภาค

แต่ไม่เรียกว่า "โปรตอน" เพราะเครื่องแอลเอชซี ยังเร่งนิวเคลียสของตะกั่ว ซึ่งเป็นฮาดรอนอย่างหนึ่งด้วย ส่วน "ซี" ย่อจาก "คอลไลเดอร์" (Collider) เพราะเครื่องนี้เร่งให้ลำโปรตอน 2 ลำชนกัน โดยจะชนกันบริเวณที่มีเครื่องตรวจวัดอนุภาคติดตั้งอยู่ โดยเครื่องตรวจวัดใหญ่ๆ มีอยู่ด้วยกัน 4 ตัว

เครื่องแอลเอชซีนี้ ฝังอยู่ในอุโมงค์ใต้ดิน ระหว่างพรมแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ ภายในอุโมงค์จะเห็นท่อยาวๆ โค้งไปตามอุโมงค์ ในท่อมีเหล็กบังคับให้อนุภาควิ่งเป็นวงกลม และมีกำเนิดพลังงานรอบๆ หล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว เพื่อให้ความเย็นกับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง
 
และด้วยความกว้างใหญ่ของเครื่องเร่งอนุภาค ทำให้เจ้าหน้าที่ต้องใช้จักรยานหรือรถไฟฟ้า และมีเส้นแบ่งเส้นทางไว้ โดยชิ้นส่วนต่างๆ ของเครื่องเร่งอนุภาคนั้นจะสร้างจากบนพื้นดิน แล้วนำลงไปประกอบใต้ดิน เมื่ออนุภาคชนกันชนกันจะเกิดอนุภาคใหม่ๆ ให้ตรวจสอบ แต่อนุภาคเหล่านั้นมีอายุสั้นมากและสลายตัวอย่างรวดเร็ว

ทั้งนี้ ลำอนุภาค 2 ลำจะวิ่งอยู่ภายในท่อเดียวกัน ด้วยทิศทางที่สวนทางกันโดยไม่พุ่งชนกัน ซึ่งนายนรพัทธ์ ศรีมโนภาษ นิสิตปริญญาเอก ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ซึ่งมีโอกาสไปทำงานวิจัยที่เซิร์น และรวมเสวนาในครั้งนี้ด้วย อธิบายว่า ใช้สนามแม่เหล็กบังคับ ให้ลำอนุภาคเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้าม ด้วยหลักของ "กฎมือขวา" (Right Hand Rule) ทำให้ลำอนุภาควิ่งอยู่ภายในท่อเดียวกันแต่คนละเส้นทางได้โดยไม่ชนกัน และไม่ต้องสร้างท่อซึ่งมีขนาดใหญ่มากขึ้นมาอีก

หลังอธิบายเรื่องเครื่องเร่งอนุภาคแล้ว ดร.บุรินทร์ได้กล่าวถึงเครื่องตรวจวัดอนุภาค  โดยเน้นเฉพาะเครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS : Compact Muon Solenoid) ซึ่งเป็นเครื่องตรวจวัดอนุภาคที่ทางจุฬาฯ มีส่วนเกี่ยวข้องมากที่สุด

ดร.บุรินทร์ อธิบายว่า เครื่องตรวจวัดซีเอ็มเอสนี้ ทำหน้าที่ตรวจวัด "มิวออน" (Muon) เนื่องจากเป้าหมายหนึ่ง ของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีคือการหาอนุภาคฮิกก์ส (Higgs) แต่เมื่อฮิกก์สเกิดมาแล้ว จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว และสลายตัวได้หลายรูปแบบ ซึ่งรูปแบบหนึ่งคือสลายตัวให้มิวออน 4 ตัว และมิวออนเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูง ไม่ถูกเบนโดยสนามแม่เหล็กได้ง่าย จึงง่ายต่อการออกแบบการทดลองเพื่อตรวจวัด

"มีฮิกก์สหรือไม่ วัดจากสัญญาณมิวออน 4 ตัว โดยเครื่องจะตรวจวัดพลังงานและโมเมนตัมของอนุภาค เพื่อหาว่ามีมวลเท่าไหร่ ซึ่งจะระบุได้ว่าเป็นอนุภาคอะไร ส่วนสนามแม่เหล็กจะช่วยบอกได้ว่ามีประจุอะไร" ดร.บุรินทร์กล่าว

นอกจากซีเอ็มเอสแล้ว ยังมีเครื่องตรวจวัดอนุภาคอลิซ (ALICE) ที่ออกแบบเพื่อตรวจวัดฮิกกส์เช่นกัน แต่มีเครื่องกำเนิดสนามแม่เหล็กเป็นรูปโดนัท ขณะที่ซีเอ็มเอสมีอยู่ตรงกลาง ซึ่งหากเครื่องใดเครื่องหนึ่งตรวจพบฮิกก์ส อีกเครื่องก็ต้องตรวจพบด้วย จึงจะยืนยันได้ว่ามีฮิกก์สอยู่จริง

วัดรอยเท้ายักษ์ "แอลเอชซี" เทียบเครื่องกำเนิดซินโครตรอน ณ โคราช

หลังจากเห็นความอลังการของเครื่องเร่งอนุภาคทางฝั่งยุโรปแล้ว ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล หัวหน้าฝ่ายระบบลำเลียงแสง สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) กล่าวว่า ไทยก็มีเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งเป็นห้องปฎิบัติการแห่งชาติ อยู่ที่ จ.นครราชสีมา โดยได้เปรียบเทียบเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของไทยกับเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ในด้านขนาดเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมีความยาว 80 เมตร ซึ่งเล็กกว่าแอลเอชซี 330 เท่า เมื่อลองทาบกันก็ปรากฏว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเป็นเพียงจุดเล็กๆ เท่านั้นเมื่อเทียบกับแอลเอชซี

แอลเอชซีเร่งอนุภาคโปรตรอนด้วยความเร็วใกล้แสง 99.999999% ขณะที่เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเร่งอิเล็กตรอนด้วยความเร็วใกล้ 99.9999% และการใช้งานของเครื่องทั้ง 2 ก็แตกต่างกัน โดยเครื่องเร่งของไทยนั้น มุ่งใช้ประโยชน์จากแสงซินโครตรอนที่เกิดขึ้น ซึ่งถือเป็นสิ่งที่แอลเอชซีไม่ต้องการ เพราะทำให้สูญเสียพลังงาน

แม้ว่าแอลเอชซี จะนับเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาดใหญ่ที่สุดในโลก แต่ ดร.ประยูรระบุว่า แสงซินโครตรอนเหล่านั้น ทำให้เกิดปัญหากับเครื่องแอลเอชซี อย่างแรกคือเกิดความร้อน และอีกอย่างคือ ทำให้พลังงานของโปรตอนลดลง

ทั้งนี้เมื่อเร่งอนุภาคแล้ว อนุภาคจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งนำไปใช้ประโยชน์ได้ เนื่องจากมีความเข้มและความคมสูง (ความคมคือลำอนุภาคลู่เข้าไม่บานออก) มีจุดกำเนิดเล็ก ซึ่งสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ ใช้ตรวจวัดสารตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์วัสดุเชิงเคมีหรือเชิงโครงสร้าง ใช้สำหรับผลิตชิ้นส่วนขนาดจิ๋ว และใช้ศึกษาโครงสร้างโปรตีน เป็นต้น

ดร.ประยูรอธิบายว่า อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งเพื่อสร้างแสงซินโครตรอนนั้น จะถูกเร่งให้วิ่งวนอยู่ภายใน "บูสเตอร์" (booster) หลายพันล้านรอบเพื่อเพิ่มระดับพลังงาน แล้วปล่อยเข้าวงแหวนที่ให้กำเนิดแสงซินโครตรอน โดยอิเล็กตรอนวิ่งวนบูสเตอร์ 4,000 ล้านรอบ จะมีพลังงาน 1 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ แต่ปัจจุบันระดับพลังงานเท่านี้ไม่เพียงพอแก่การใช้งานแล้ว ต้องเพิ่มระดับพลังงานขึ้นไป 1.2 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์

สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ก็มีบูสเตอร์เพื่อเพิ่มระดับพลังงานให้ลำอนุภาคเช่นกัน โดยเพิ่มระดับพลังงานได้ถึง 1.4 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ และแล้วยิงเข้าวงแหวนที่เร่งลำอนุภาคให้มีพลังงานได้ถึง 2.6 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ แล้วยิงเข้าวงแหวนขนาดใหญ่กว่าซึ่งเร่งอนุภาคให้มีพลังงานถึง 450 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ จากนั้นจึงยิงเข้าท่อแอลเอชซีใน 2 ทิศทางที่สวนกัน แล้วเร่งอีกนับพันล้านรอบ จนถึงระดับพลังงานที่ต้องการ แล้วจึงให้ลำอนุภาคชนกัน

"แตกต่างจากเรา (เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน) มาก" ดร.ประยูรกล่าว และเปรียบเทียบสรุปให้เห็นอีกว่า เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน มีระดับพลังงาน 1.2 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ ยาว 87.3 เมตร มีแม่เหล็ก 8 ตัว ความแรงแม่เหล็ก 1.4 เทสลา โดยความแรงแม่เหล็กของเครื่องมือแพทย์ในโรงพยาบาลประมาณ 3 เทสลา ขณะที่เครื่องแอลเอชซี มีระดับพลังงาน 7,000 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ ยาว 2.665 เมตร มีแม่เหล็ก 1,232 ตัว ส่วนแม่เหล็กใช้ 2 ระบบซึ่งหล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว มีความแรง 0.5 และ 8.3 เทสลา

พร้อมกันนี้ ดร.ประยูรยังกล่าว ถึงอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นกับเซิร์นหลังทดลองเดินเครื่องยิงลำแสงแรกเข้าท่อแอลเอชซี ซึ่งอุบัติเหตุดังกล่าวเรียกว่า "เควนชิง" (quenching) คือการเปลี่ยนสภาพของแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง ไปเป็นแม่เหล็กธรรมดา ทำให้เกิดความร้อนขึ้น ซึ่งความร้อนที่เพิ่มขึ้นเพียงนิดเดียวนั้น ทำให้ฮีเลียมรั่วได้ทันที ตรงจุดนี้เขาวิเคราะห์ว่า อุบัติเหตุที่เกิดขึ้นน่าเป็นเพราะความผิดพลาดในการออกแบบ

ทดลองพิสูจน์ความคิดนักทฤษฎีด้วย "แอลเอชซี"

ในมุมของนักฟิสิกส์ทฤษฎี ดร.อรรถกฤต ฉัตรภูติ จากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กล่าวว่า นักฟิสิกส์ทฤษฎี ต้องการการทดลองที่ช่วยยืนยันในสิ่งที่รู้อยู่แล้ว และสำรวจสิ่งที่ไม่รู้

"มีปัญหาสำคัญว่า "อะไรกันแน่ที่เป็นองค์ประกอบของสสาร" และตอนนี้มีแบบจำลองมาตรฐานที่ใช้อธิบายสมบัติและพฤติกรรมของอนุภาค โดยอนุภาคต่างๆ มีมวล แต่ก็มีปัญหาว่ากลไกอะไรที่ทำให้อนุภาคมีมวล ทางทฤษฎี "ฮิกก์ส" เป็นสิ่งที่ทำให้อนุภาคมีความลำบากในการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่

ยังมีคำถามว่า ปฏิสสารหายไปไหน โดยตามทฤษฎีเชื่อว่า เกิดสสารและปฏิสสารขึ้นในปริมาณเท่าๆ กันในช่วงที่เอกภพกำเนิดขึ้นเมื่อ 1.4 พันล้านปีที่ผ่านมา และมีวิวัฒนาการขึ้นมา

แต่น่าสนใจที่ ธรรมชาติพยายามทำลายสมมาตรของปฎิสสารและสสาร ทำให้เกิดสสารมากกว่า และหลังระเบิด "บิกแบง" เพียง 4 พิโควินาที* สสารอยู่ในรูปแบบที่แปลกประหลาดที่เรียกว่า "ควาร์ก กลูออน พลาสมา" (Quark Gluon Plasma) ซึ่งปกติควาร์กจะไม่อยู่อิสระ และจะเกาะกับอนุภาคอื่นเสมอ แต่สถานะดังกล่าว ควาร์กและกลูออนอยู่แยกกัน

"เรายังอธิบายไม่ได้ว่า ทำไมควาร์กจึงอยู่อิสระไม่ได้ ซึ่งการทดลองของเซิร์นจะตอบคำถามเหล่านี้ เพราะเราไม่สามารถสร้างจักรวาลขึ้นมาใหม่เพื่อพิสูจน์ปัญหาเหล่านี้" ดร.อรรถกฤตกล่าว 

นอกจากนี้ แอลเอชซียังมีส่วนที่จะช่วยไขปัญหาว่า เหตุใดเอกภพจึงขยายตัวด้วยอัตราเร่ง อีกทั้งคาดว่าจะมีฟิสิกส์ใหม่ๆ เกิดขึ้นที่ระดับพลังงานของเครื่องเร่งแอลเอชซี ซึ่งอาจจะเป็นสมมาตรยวดยิ่ง (supersymmetry) และมิติอื่นๆ ปรากฏออกมา โดยมิติอื่นๆ นี้ ดร.อรรถกฤต กล่าวว่า

เมื่อต้นศตวรรษที่แล้ว มีผู้เสนอว่าธรรชาติมีมิติอื่นๆ อยู่ และทฤษฎีสตริงก็ระบุว่าธรรมชาติมีอยู่ 10 มิติ โดยมิติอื่นๆ อาจขดตัวอยู่และประสาทสัมผัสของเราไม่สามารถรับรู้ด้วย เปรียบเทียบกับมดที่เดินบนหลอดกาแฟซึ่งเป็นพื้นผิวสองมิติ แต่ถ้าหากรัศมีของหลอดมีขนาดเล็กพอ มดก็อาจรู้สึกว่ามันเดินอยู่บนเส้นเชือกซึ่งมีเพียงแค่ 1 มิติ

"ถ้ามีหลุมดำเกิดขึ้น จากการทดลองของแอลเอชซี แสดงว่ามีมิติเหล่านั้นอยู่ แต่ถ้าไม่มี ก็ไม่ได้แปลว่ามิติเหล่านั้นไม่มีอยู่ เพียงแต่เราอาจต้องเพิ่มระดับพลังงานขึ้นไปอีก ถ้ามีหลุมดำขนาดเล้กเกิดขึ้น ก็แสดงว่าธรรมชาติมีมิติมากกว่าที่เรารู้สึกได้ และจะกลายเป็นการปฏิวัติครั้งสำคัญของวงการฟิสิกส์ ถ้าแอลเอชซียืนยันได้ว่ามีจริงก็แสดงว่าเรามาถูกทาง" นักฟิสิกส์ทฤษฎีกล่าว และระบุด้วยว่า หลุมดำจิ๋วที่เกิดขึ้นนี้มีขนาดเล้กมากและไม่เสถียร ต่าจากหลุมำขนาดใหญ่ในอวกาศ

ฟังประสบการณ์ "คนไทย" ใน "เซิร์น"

ด้าน นายนรพัทธ ซึ่งมีโอกาสไปทำวิจัยที่เซิร์น ก็ได้เล่าประสบการณ์การได้ร่วมงานกับองค์กรวิจัยระดับโลก โดยระบุว่าปัจจุบัน มีคนไทยเพียง 3 คนที่ได้ร่วมงานกับเซิร์น ซึ่งนอกจากเขาแล้วยังมีคนที่ได้รับทุนของสำนักงาน ก.พ.ไปศึกษาต่อที่ประเทศอังกฤษ และอีกคนซึ่งประจำอยู่ที่สวิตเซอร์แลนด์ แต่เขาไม่ได้ติดต่อด้วย จึงไม่ทราบข่าวคราว แต่หวังว่าอนาคตจะมีคนไทยทำงานที่เซิร์นมากขึ้น

ทั้งนี้สังคมภายในเซิร์น ประกอบไปด้วยนักศึกษาและนักวิทยาศาสตร์ โดย 70% เป็นนักฟิสิกส์

"สำหรับการทำงานที่เซิร์นนั้น แตกต่างจากในมหาวิทยาลัย ลักษณะการทำงานต้องทำเอง-กำหนดเองทุกอย่าง ไม่มีใครกำหนดให้ว่าต้องทำอะไร โดยทุกอย่างตั้งแต่การเลือกหัวข้อทำงาน เลือกเวลาทำงาน วิธีทำงาน ต้องทำเองทุกอย่าง"

"ในการทำงานสักอย่างนั้น จะมีวิธีแก้ปัญหาอย่างน้อย 2 วิธี เพราะนักฟิสิกส์มักจะคิดอะไรไม่เหมือนคนอื่น และแต่ละคนจะมีวิธีแก้ปัญหา และความถนัดที่ต่างกัน"

อย่างไรก็ดี เมื่อเกิดปัญหาทุกอย่างในการทำงานจะถูกบันทึกไว้ทั้งหมด การนำเสนองานจะไม่นำเสนอแค่ผล แต่ต้องระบุด้วยว่าเกิดอะไรขึ้นบ้าง ซึ่งเป็นข้อดีเพราะการได้เรียนรู้ข้อผิดพลาดของตัวเองและคนอื่น ช่วยให้ทำงานได้เร็วขึ้น ง่ายขึ้น" นายนรพัทธกล่าว

พร้อมกันนี้ เขาได้แจกแจงด้วยว่า เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี จะทำให้เกิดระเบิดได้หรือไม่ สำหรับการผลิตระเบิดนิวเคลียร์นั้น เขาตอบชัดว่าทำไม่ได้ เพราะระเบิดนิวเคลียร์ ต้องอาศัยปฎิกริยาแบบลูกโซ่ ซึ่งเป็นปฏิกริยาต่อเนื่อง ที่เราไม่สามารถควบคุมได้

แต่ปฏิกริยาที่เกิดขึ้นในแอลเอชซี เป็นปฏิกริยาที่เกิดขึ้นแล้วจบ ส่วนระเบิดอีกประเภทที่สร้างขึ้นจากปฏิสสารเหมือนในนิยาย "เทวากับซาตาน" นั้น แอลเอชซีสามารถทำได้ โดยสสาร 1 กรัมและปฏิสสาร 1 กรัม สามารถผลิตระเบิดที่มีความแรงเทียบเท่าระเบิดนิวเคลียร์ 1 ลูก แต่ต้องใช้เวลาถึง 2 พันล้านปีแอลเอชซีจึงจะผลิตปฏิสสารได้ 1 กรัม อีกทั้งการเก็บปฏิสสารนั้นทำได้ยาก เพราะต้องเก็บไว้ในสนามแม่เหล็ก.