จับตา “เซิร์น” เพิ่มกำลังเดินเครื่องพร้อมไขปริศนาจักรวาล

แม้จะเสียหน้าข้ามปี จากอุบัติเหตุระหว่างเดินเครื่องเร่งอนุภาคครั้งแรกเมื่อ 2 ปีก่อน แต่ “เซิร์น” ก็กู้หน้าให้ตัวเองได้ทัน หลังจากอุ่นเครื่องเตรียมความพร้อมส่งท้ายปลายปีที่ผ่านมา ทั้งยังสร้างสถิติใหม่แซงหน้าสหรัฐฯ ที่มีเป้าหมายไขปริศนากำเนิดจักรวาลเช่นกัน

ทั่วโลกต้องจับตามอง “เซิร์น” (CERN) อีกครั้ง กับการทดลองฟิสิกส์ครั้งยิ่งใหญ่ของมนุษยชาติ แม้ว่าตอนนี้อยู่ในช่วงเตรียมพร้อม แต่เซิร์นได้ประกาศชัดว่า ช่วงไตรมาสแรกของปี 2010 จะเดินเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (LHC : Large Hadron Collider) ให้ลำอนุภาคโปรตอนชนกัน ที่ระดับพลังงาน 7 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งเป็นระดับพลังงานสูงที่สุด เท่าที่มีการเดินเครื่องเร่งอนุภาคในโลก โดยจะเริ่มเดินเครื่องอีกครั้งในเดือน ก.พ. นี้

การทดลองครั้งนี้ ไม่ใช่เพียงการทดสอบความพร้อมของเครื่องเหมือนการทดลองเมื่อปลายปี 2009 หากแต่เป็นอีกก้าวสู่ความรู้ใหม่ทางฟิสิกส์ ซึ่งในภาคทฤษฎีได้นำหน้าไปแล้ว รอเพียงการทดลองเพื่อยืนยัน แต่หากผลที่ออกมาไม่เป็นไปตามคำทำนายของนักฟิสิกส์ ก็จะเป็นความท้าทายของวงการที่จะนำไปสู่ทฤษฎีใหม่ๆ

ทำไมต้องจับอนุภาคชนกัน?

มีคำถามที่คาใจนักฟิสิกส์สาขาต่างๆ มากมายเกี่ยวกับกำเนิดจักรวาล ซึ่งตามทฤษฎีหลังระเบิด “บิกแบง” (ฺBig Bang) แล้วจะเกิด “สสาร” (Matter) และ “ปฏิสสาร” (Antimatter) ในปริมาณเท่ากัน ทั้งสสารและปฏิสสารมีทุกอย่างเหมือนกัน ยกเว้นประจุไฟฟ้า และหากพบกันจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน เหลือไว้เพียงพลังงาน แล้วปฏิสสารมากมายหายไปไหน?

หลังบิกแบงไม่นาน อนุภาคที่เกิดขึ้นเป็นอนุภาคที่นำพาแรงแต่ไม่มีมวล แล้วมวลเกิดขึ้นเมื่อไหร่? ตามทฤษฎีเสนอว่าเมื่อเอกภพเริ่มเย็นลงและอุณหภูมิอยู่ต่ำกว่า “ค่าวิกฤต” จะเกิด “สนามฮิกก์ส” (Higgs Field) ที่มองไม่เห็น ซึ่งเต็มไปด้วย “อนุภาคฮิกก์สโบซอน” (Higgs Boson) อนุภาคใดที่ทำอันตรกริยากับอนุภาคฮิกก์ส จะเกิดมวลขึ้น ยิ่งทำอันตรกริยามาก ยิ่งมีมวลมากขึ้นเท่านั้น แต่ปัญหาคือยังไม่มีการทดลองใดที่พบอนุภาคฮิกก์สเลย

ทฤษฎีในปัจจุบันบอกไว้ว่า หลังบิกแบงเมื่อ 1.37 หมื่นล้านปีที่แล้ว เอกภพอยู่ในสภาพที่มีอุณหภูมิสูงกว่าใจกลางดวงอาทิตย์ถึงแสนเท่าและความหนาแน่นยิ่งยวด ที่สภาพดังกล่าว “ควาร์ก” (Quark) และ “กลูออน” (Gluon) อนุภาคมูลฐานของสสารต่างๆ ในเอกภพต่างอยู่ในสถานะอิสระที่เรียกว่า “พลาสมาควาร์ก-กลูออน” (Quark-Gluon plasma) ซึ่งมีหลักฐานคร่าวๆ ของสถานะดังกล่าวจากเครื่องซินโครตรอน (Synchrotron) ของเซิร์น ซึ่งต้องจับตาดูว่าแอลเอชซีจะให้ผลทดลองที่มากกว่าหรือไม่

ในองค์ความรู้ทั้งหมดของมวลมนุษยชาตินั้น เรารู้จักจักรวาลของเราเพียง 4% เท่านั้น ยังมีสสารที่เราไม่รู้จักอีก 26% เรียกไว้ก่อนว่า “สสารมืด” (Dark Matter) ซึ่งมีแนวคิดว่าสสารชนิดนี้อาจจะประกอบด้วย “อนุภาคซูเปอร์ซิมเมทริก” (Supersymmetric Particle) หรืออนุภาคสมมาตรยิ่งยวด และคาดว่าการทดลองของแอลเอชซีจะหาอนุภาคชนิดนี้ได้

เมื่ออนุภาคมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงชนกันที่พลังงานสูงระดับ “เทราอิเล็กตรอนโวลต์” นักวิทยาศาสตร์คาดว่า จะมีอนุภาค พลังงาน สถานะ หรือแม้แต่ปรากฏการณ์แปลกประหลาดที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนปรากฏออกมา ซึ่งอาจจะเป็นไปตามทฤษฎีที่ได้คาดการณ์ไว้ล่วงหน้าแล้ว หรืออาจจะผิดไปจากที่คาดไว้โดยสิ้นเชิง

สำรวจแอลเอชซี

แอลเอชซีคือเครื่องเร่งอนุภาคที่มีท่อขนาดมหึมา ขดเป็นวงกลมด้วยความยาว 27 กิโลเมตร และถูกฝั่งอยู่ได้ติดระหว่างชายแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ โดยความลึกเฉลี่ย 100 เมตร บางจุดเช่นบริเวณใต้เมืองชูรา สวิตเซอร์แลนด์อยู่ลึกลงไป 175 เมตร หรือบางจุดที่อยู่ใต้ทะเลสาบเจนีวาอยู่ลึกลงไป 50 เมตร

ภายในท่อของแอลเอชซีมีท่อลำเลียงลำอนุภาค 2 ท่อ เพื่อให้ลำอนุภาควิ่งในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อความเร็วและพลังงานถึงระดับที่ต้องการแล้ว ลำอนุภาคจะถูกเบนให้ชนกันตามสถานีตรวจวัดที่อยู่ตามจุดต่างๆ ของท่อแอลเอชซี ซึ่งท่อเหล่านี้จะถูกรักษาไว้ที่สภาพสุญญากาศยิ่งยวด และอนุภาคจะวิ่งไปได้ด้วยอำนาจจากแม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดหรือแม่เหล็กไฟฟ้าซูเปอร์คอนดักเตอร์

เพื่อรักษาสภาพตัวนำยิ่งยวดของแม่เหล็กโดยไม่มีแรงต้านทานไฟฟ้าหรือสูญเสียพลังงาน แม่เหล็กไฟฟ้าของเซิร์นต้องถูกรักษาสภาพไว้ที่อุณหภูมิ -271 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่หนาวเหน็บกว่าอวกาศข้างนอก โดยใช้ฮีเลียมเป็นสารหล่อเย็น และแอลเอชซียังประกอบไปด้วยแม่เหล็กหลากหลายชนิดและขนาดอีกนับพันๆ ตัว

แม่เหล็กที่ใช้กำหนดทิศทางให้ลำอนุภาคเคลื่อนที่ไปรอบๆ ท่อของแอลเอชซี มีทั้งแม่เหล็ก 2 ขั้ว 1,232 ตัว ซึ่งแต่ละตัวมีความยาว 15 เมตร มีหน้าที่ในการเบนลำอนุภาค แม่เหล็ก 4 ขั้วอีก 392 ตัว ที่มีความยาว 5-7 เมตร มีหน้าที่โฟกัสลำอนุภาค และมีแม่เหล็กชนิดอื่นๆ อีกทำหน้าที่ “บีบ” ให้ลำอนุภาคเข้าใกล้กันมากขึ้นเพื่อเพิ่มโอกาสให้อนุภาคชนกัน ภารกิจบังคับให้ลำอนุภาคชนกันนี้เหมือนยิงเข็มที่อยู่ห่างกัน 10 กิโลเมตรให้พุ่งชนกัน

เส้นทางโปรตอนกว่าจะถึงแอลเอชซี

กว่าลำอนุภาคโปรตอนจะพุ่งชนกันต้องผ่านการเร่งความเร็วหลายจุด เริ่มจากการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของไฮโดรเจนเพื่อให้ได้ลำอนุภาคโปรตอน จากนั้นยิงเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคเส้นตรง “ลิแนค2” (LINAC2) ซึ่งยิงลำโปรตอนที่มีระดับพลังงาน 50 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์เข้าสู่เครื่องเพิ่มกำลัง “พีเอสบูสเตอร์” (PS Booster)

เครื่องเพิ่มกำลังพีเอสจะเร่งลำอนุภาคให้มีพลังงาน 1.4 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ก่อนส่งต่อไปยังเครื่องโปรตอนซินโครตรอน (Proton Synchrotron: PS) ซึ่งเร่งให้ลำอนุภาคมีพลังงานเพิ่มขึ้นเป็น 25 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ จากนั้นโปรตอนจะส่งต่อไปยังเครื่องซูเปอร์โปรตรอนซินโครตรอน (Super Proton Synchrotron: SPS) เพื่อเร่งพลังงานเป็น 450 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ แล้วยิงเข้าท่อแอลเอชซีในทิศทวนเข็มและตามเข็มนาฬิกา และลำอนุภาคจะวิ่งวนอยู่ 20 นาทีก่อนที่ระดับพลังงานจะถึง 7 เทราอิเล็กตรอนโวลต์

ลำโปรตอนที่ถูกเร่งเข้าสู่ท่อแอลเอชซีนั้นมีโปรตอนรวมกันเป็นก้อนๆ แต่ละลำโปรตรอนจะมีก้อนโปรตอนถึง 2,808 ก้อน และแต่ละก้อนมีโปรตอนประมาณ 100,000 ล้านตัว แต่โอกาสพุ่งกันมีเพียงน้อยนิด ในจำนวนอนุภาค 200,000 ล้านตัว มีโอกาสเกิดการชนกันเพียง 20 ครั้งเท่านั้น และภายในท่อแอลเอชซีจะมีกลุ่มโปรตอนวิ่งผ่านวินาทีละ 30 ล้านครั้ง ดังนั้นในอัตราดังกล่าวเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีจะทำให้เกิดการชนกันวินาทีละ 600 ล้านครั้ง

หลังจากถูกยิงเข้าท่อแอลเอชซีแล้วลำอนุภาคโปรตอนอาจวิ่งวนได้นานถึง 10 ชั่วโมง คิดเป็นระยะทางได้ 1 หมื่นล้านกิโลเมตร หรือเทียบเท่ากับระยะทางไป-กลับระหว่างโลกและดาวเนปจูน และด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง แต่ละวินาทีลำอนุภาคโปรตอนจะโคจรรอบท่อแอลเอชซีได้ 11,245 รอบ

นอกจากลำอนุภาคโปรตอนแล้วยังมีลำไอออนตะกั่วที่จะถูกยิงเข้าเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีด้วย โดยมีขั้นตอนเพิ่มขึ้นมาคือหลังจากได้ลำไอออนตะกั่วจากตะกั่วที่ระเหยเป็นไอแล้ว ลำไออนเหล่านั้นจะถูกส่งเข้าเครื่องเร่งอนุภาคเส้นตรง “ลิแนค3” (LINAC3) แล้วถูกสะสมพลังงานและเร่งความเร็วด้วยเครื่อง “ไลร์” (LEIR: Low Energy Ion Ring) จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการเร่งความเร็วและเพิ่มพลังงานตามขั้นตอนเดียวกับลำอนุภาคโปรตอน

พลังงานเมื่อลำไอออนตะกั่วชนกันอยู่ที่ 1,150 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมากกว่าลำอนุภาคโปรตอนชนกัน เนื่องจากลำไอออนตะกั่วประกอบไปด้วยโปรตอนจำนวนมาก

อย่างไรก็ดีระดับพลังงานในการทดลองของเซิร์นนั้นยังไม่สำคัญเท่ากับความเข้มข้นของพลังงาน ซึ่งเซิร์นได้อธิบายเรื่องนี้ไว้ว่า พลังงาน 1 เทราอิเล็กตรอนนั้นมีค่าเท่ากับพลังงานที่ยุงตัวหนึ่งใช้เคลื่อนที่เท่านั้น และบางครั้งพลังงานจากการตบมือของเรายังมากกว่าพลังงานที่โปรตอนชนกันในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีเสียอีก เพียงแต่พลังงานที่เกิดขึ้นน้นมีความเข้มข้นน้อยกว่า ส่วนแอลเอชซีก็บีบอัดพลังงานจากการชนกันให้อยู่ในพื้นที่เล็กกว่า 1 ในล้านล้านส่วนของยุง

ภารกิจสถานีตรวจวัดทั้ง 6

หลังจากอนุภาคชนกันแล้วภาระหนักต่อไปตกเป็นของสถานีตรวจวัดทั้ง 6 คือ อลิซ (ALICE) แอตลาส (ATLAS) ซีเอ็มเอส (CMS) แอลเอชซีบี (LHCb) แอลเอชซีเอฟ (LHCf) และ โทเทม (TOTEM) โดย 4 สถานีแรกนั้นติดตั้งอยู่รอบท่อแอลเอชซี แต่ละสถานีมีภารกิจที่แตกต่างกันดังต่อไปนี้

- อลิซ (ALICE: A Large Ion Collider) เป็นสถานีตรวจวัดที่ถูกออกแบบมาเพื่อวิเคราะห์การชนกันของลำไอออนตะกั่ว มีอุปกรณ์ตรวจวัดอนุภาคมิวออน รับภารกิจในการศึกษาสมบัติของสถานะพลาสมาควาร์ก-กลูออน หาคำตอบว่า จะเกิดอะไรขึ้นกับสสารหากได้รับความร้อนถึง 10,000 เท่าของใจกลางดวงอาทิตย์ ทำไมนิวตรอนและโปรตอนจึงมีมวลมากกว่าควาร์กถึง 100 เท่า และควาร์กที่อยู่ในนิวตรอนและโปรตอนของอะตอมจะถูกทำให้เป็นอิสระได้หรือไม่ เป็นต้น
สำหรับสถานีมีความยาว 26 เมตร กว้างและสูง 16 เมตร หนัก 10,000 ตัน และเมื่อวันที่ 9 ต.ค.09 ได้ทดลองวัดและเก็บข้อมูลจากการทดลองยิงลำไอออนตะกั่วเป็นครั้งแรก

- แอตลาส (ATLAS) เป็นสถานีตรวจวัดอเนกประสงค์ ที่ถูกออกแบบให้ค้นหาทั้งอนุภาคฮิกก์ส อนุภาคสมมาตรยิ่งยวด และมิติพิเศษ โดยสถานีมีความยาวถึง 46 เมตร สูงและกว้าง 25 เมตร หนัก7,000 ตัน

- ซีเอ็มเอส (CMS: Compact Muon Solenoid) เป็นสถานีตรวจวัดที่มีเป้าหมายเดียวกับแอตลาส แต่มีรูปแบบการทำงานและระบบแม่เหล็กวัดอนุภาคที่แตกต่างออกไป โดยสถานีสร้างขึ้นด้วยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ขดเป็นทรงกระบอก สร้างสนามแม่เหล็กได้มากกว่าโลก 100,000 เท่า เครื่องตรวจวัดจึงหนักถึง 12,500 ตัน สถานีมีความยาว 21 เมตร กว้างและสูง 15 เมตร

- แอลเอชซีบี (LHCb) เป็นสถานีที่จะหาคำตอบว่าทำไมเราจึงอาศัยอยู่ในเอกภพที่เต็มไปด้วยสสาร มีหน้าที่พิเศษในการศึกษาอนุภาคที่เรียกว่า "บิวตี ควาร์ก" (beauty quark) เพื่อหาความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างสสารและปฏิสสาร สถานีนี้มีเซ็นเซอร์เรียงซ้อนกันยาว 20 เมตร และอยู่ในเส้นทางของลำ อนุภาคที่จะเคลื่อนที่ไปตามท่อแอลเอชซี

- แอลเอชซีเอฟ (LHCf) เป็นสถานีย่อยๆ สำหรับตรวจวัดพลังงานแรกเริ่มของรังสีคอสมิคพลังงานสูงยิ่งยวด ซึ่งคาดว่าจะเกิดระหว่างการชนกันของอนุภาค

- โทเทม (TOTEM) เป็นสถานีตรวจวัดย่อยๆ ที่ออกแบบมาเพื่อประเมินขนาดของลำอนุภาคที่ให้ประสิทธิผลสูงสุด

หลังจากอนุภาคชนกันแล้ว ยังไม่สามารถตอบได้ทันทีว่า สิ่งที่นักฟิสิกส์รอคอยคำตอบนั้นมีอยู่หรือไม่ ต้องใช้เวลาอีกพอสมควรในการควานหาคำตอบจากข้อมูลมหาศาลที่สถานีตรวจวัดต่างบันทึกไว้

ไม่ว่าผลที่ได้จะออกมาเช่นไร การทดลองของเซิร์นจะสร้างประวัติศาสตร์อีกครั้งให้แก่วงการวิทยาศาสตร์ หวังแค่เพียงจะไม่เกิดความเสียหายใดๆ อีกกับเครื่องเร่งอนุภาคยักษ์นี้