ในการแข่งขันกีฬา เวลาใครอยู่หลังคู่ต่อสู้ คือกำลังแพ้ เขาจำต้องปรับแผนยุทธศาสตร์ทันทีเพื่อเอาชนะฝ่ายตรงข้ามให้ได้ โลกฟิสิกส์ก็เช่นกัน ตามปรกตินักฟิสิกส์มีการแข่งขันกันตลอดเวลา แม้ไม่ถึงขนาดเดิมพันด้วยชีวิต แต่ความพ่ายแพ้เชิงวิชาการก็เป็นเรื่องที่ไม่มีใครยินยอมใครได้
ในอดีตเมื่อ 30 ปีก่อน ห้องปฏิบัติการ Fermi National Accelerator Laboratory (หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า Fermilab) ของสหรัฐอเมริกาเคยเป็นเจ้ายุทธจักรเพราะมีเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังสูงที่สุดในโลก ซึ่งสามารถเร่งโปรตอนให้พุ่งชนแอนติโปรตอน (antiproton) ด้วยพลังงาน 2 tera-electron volts (1 TeV = 1015 eV)
แต่เมื่อห้องปฏิบัติการ CERN ของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปที่กรุง Geneva ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ มีเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ที่มีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร ซึ่งสร้างด้วยเงิน 5,500 ล้านดอลลาร์ให้โปรตอนพลังงาน 14 TeV พุ่งชนกัน จนได้พบอนุภาค Higgs boson ที่คนทั้งโลกรอคอยมานานร่วม 50 ปี นักฟิสิกส์ที่ Fermilab ก็ตกอยู่ในสถานะพ่ายแพ้ทันที ดังนั้นจึงได้พยายามขวนขวายหา “ของเล่น” ชิ้นใหม่ เพื่อจะได้กลับมาครองตำแหน่งการมีห้องปฏิบัติการที่สามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงที่สุดในโลกอีกครั้งหนึ่ง และหวังมากว่ากระทรวงพลังงานของสหรัฐจะสนับสนุนโครงการในฝันนี้
สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคนั้น ถ้าจะแบ่งตามชนิดของอนุภาคที่ใช้เร่ง ก็มีสองรูปแบบ คือ แบบที่เร่งโปรตอนให้พุ่งชนโปรตอน หรือแอนติโปรตอน กับแบบที่เร่งอิเล็กตรอนให้พุ่งชนอิเล็กตรอนหรือแอนติอิเล็กตรอน (anti-electron หรือที่มีอีกชื่อว่า positron)
ในกรณีเครื่อง LHC ที่ CERN ซึ่งเร่งลำโปรตอนพลังงานสูงให้พุ่งไปในท่อวงกลมในทิศสวนกันแล้วบังคับให้มันชนกัน ซึ่งหลังการชนก็มีรังสีและอนุภาคต่างๆ เกิดขึ้นมากมาย ที่ต่างก็พุ่งกระจัดกระจายไปทุกทิศทาง ทั้งนี้เพราะโปรตอนที่ใช้เป็นเป้าและกระสุนต่างก็ประกอบด้วยอนุภาค quark ถึง 3 ตัว ที่มีการยึดเหนี่ยวกันโดยการแลกเปลี่ยนอนุภาค gluon กันดังนั้นเวลาโปรตอนชนโปรตอนหรืออีกนัยหนึ่ง คือ ควาร์กชน ควาร์ก พลังงานของควาร์กจึงเป็นเพียงส่วนหนึ่งของพลังงานโปรตอนที่จะถูกเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคชนิดใหม่
ส่วนเครื่องเร่งอนุภาคที่ยิงอิเล็กตรอนด้วยอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนนั้น เพราะอนุภาคทั้งสองนี้ไม่มีโครงสร้างภายใน คือเป็นเพียงจุด ดังนั้น การชนที่เกิดขึ้นทุกครั้งจึงเป็นการชนที่สะอาด กล่าวคือพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนทั้งกระสุนและเป้าจะถูกเปลี่ยนไปสร้างอนุภาคตัวใหม่ ด้วยเหตุนี้นักฟิสิกส์ด้านอนุภาคมูลฐานหลายคนจึงคิดว่า ทายาทของเครื่องเร่ง LHC ในลำดับต่อไปน่าจะเป็นเครื่องเร่งที่ยิงอนุภาคอิเล็กตรอนให้ชนโพสิตรอน (Electron-Positron Collider EPC) โดยอิเล็กตรอนที่ใช้ชนมีพลังงานตั้งแต่ 0.5 TeV ถึง 3 TeV แต่เครื่องเร่งแบบนี้ก็มีข้อเสีย คือเวลาอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลมในเครื่องเร่งอนุภาคทรงวงกลม ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางที่เกิดขึ้น
ขณะอิเล็กตรอนเบนทิศการเคลื่อนที่จะทำให้มันปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา นั่นคือ อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานตลอดเวลา ในที่สุดพลังงานสูงสุดของมันก่อนชน จะมีค่าไม่ถึงเป้าที่ตั้งไว้ ครั้นจะให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรง ดังในเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรง (Linear Collider) เพื่อชนกับอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนที่พุ่งมาจากทิศตรงกันข้าม
การชนในลักษณะนี้ก็จะเกิดสำหรับอนุภาคหนึ่งเพียงครั้งเดียวเท่านั้น ดังนั้นประสิทธิภาพในการชนจะต่ำมาก เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้เครื่องเร่งแบบวงกลม ที่สามารถบังคับให้อนุภาคอิเล็กตรอนและโพสิตรอนเคลื่อนที่สวนทางกัน ทำให้การชนสามารถเกิดขึ้นได้หลายครั้ง ประสิทธิภาพในการชนจึงมีค่าสูงกว่ามาก
ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่า เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้โปรตอนหรืออิเล็กตรอนต่างก็มีทั้งข้อดีและข้อเสียคือ โปรตอนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 2,000 เท่า และมีโครงสร้างภายใน ดังนั้นเวลาชนกัน อนุภาคต่างๆ จะเกิดขึ้นมากมาย จนทำให้การสังเกตผลลัพธ์หลังการชนเป็นเรื่องยาก ส่วนอิเล็กตรอนเวลาถูกเร่ง จะแผ่รังสีทำให้พลังงานตก แต่การชนจะสะอาด เพราะอิเล็กตรอนไม่มีโครงสร้างภายใน
ดังนั้นนักฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงจึงพยายามหาทางออกสำหรับเรื่องนี้ว่า จะใช้อนุภาคชนิดอื่นเช่น muon ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอน คือ มีมวลประมาณ 207 เท่าของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเบากว่าโปรตอนประมาณ 8 เท่า อีกทั้งเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายใน คือเป็นจุดเหมือนอิเล็กตรอน แต่มิวออนก็มีข้อเสียตรงที่มันเป็นอนุภาคกัมมันตรังสี ดังนั้นมันจะสลายตัวในเวลาไม่นาน ในการแก้ไขจุดด้อยนี้ เครื่องเร่งอนุภาคมิวออนจะต้องมีการเร่งมิวออนให้ชนกัน ก่อนที่มันจะสลายตัว
มิวออน (muon) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ Carl Anderson และ Seth Neddermeyer พบโดยบังเอิญในปี 1936 โดยใช้ห้องเมฆ (cloud chamber) เพื่อศึกษาธรรรมชาติของรังสีคอสมิกที่มาจากอวกาศนอกโลก และได้เห็นอนุภาคชนิดใหม่ที่มีประจุลบเหมือนอิเล็กตรอนทุกประการ แต่มีมวลอยู่ระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอน จึงตั้งชื่ออนุภาคใหม่นี้ว่า “mesotron” เพราะดูเผินๆ มีเค้าเหมือนอนุภาคที่ Hideki Yukawa เคยทำนายไว้ในปี 1935 ว่าเป็นอนุภาคที่โปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียสใช้ในการยึดเหนี่ยวกัน แต่อีกสิบปีต่อมาอนุภาค “mesotron” ก็ได้รับการพิสูจน์ว่า มิใช่อนุภาคที่โปรตอนกับนิวตรอนใช้เป็นสื่อ คือมิได้เป็นส่วนหนึ่งของแรงนิวเคลียร์ แต่เป็นอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่
การศึกษาในเวลาต่อมาแสดงว่า มิวออนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร คือมีชีวิตเพียง 10-6 วินาทีเท่านั้นเอง และสลายตัวเป็นอิเล็กตรอน แอนตินิวตริโน กับมิวออนนิวตริโน โดยมิวออนนิวตริโนเป็นอนุภาคหนึ่งในสามชนิดของนิวตริโนที่ Leon Lederman, Melvin Schwartz และ Jack Steinberger พบในปี 1962 ซึ่งได้ทำให้คนทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1988 ร่วมกัน
นักเทคโนโลยีคาดว่าเครื่องเร่งอนุภาคมิวออนต้องการงบประมาณในการสร้างประมาณ 16 ล้านดอลลาร์ (ประมาณ 550 ล้านบาท) เพื่อให้มิวออนเคลื่อนที่ไปในเครื่องเร่งแบบวงกลมที่มีรัศมียาวประมาณ 1 กิโลเมตร และมีเส้นรอบวงยาวเพียง 6 กิโลเมตร จึงนับว่ามีขนาดเล็ก เมื่อเปรียบเทียบกับ LHC แม้รังสีที่เกิดและการสลายตัวของมิวออนจะทำให้การสังเกตผลลัพธ์ของการชนเป็นไปได้ยาก แต่ก็ยังดีกว่าเครื่องเร่งอิเล็กตรอน เพราะรังสีที่เกิดขึ้นมีปริมาณน้อยกว่ารังสีจากเครื่องเร่งอิเล็กตรอน
สำหรับการสร้างอนุภาคมิวออนนั้น นักฟิสิกส์คาดจะใช้วิธียิงโปรตอนไปกระทบเป้าที่ทำด้วยแกรไฟท์ แล้วพยายามโฟกัสเหล่าอนุภาคมิวออนที่เกิดขึ้นให้พุ่งไปเป็นลำ โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงควบคุม และทำให้มิวออนมีอุณหภูมิต่ำมาก จากนั้นปล่อยลำมิวออนเข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคแบบ synchrotron ในทิศสวนกัน เพื่อเร่งให้ชนกันก่อนที่มิวออนจะสลายตัว ในกรณีมิวออนที่มีพลังงาน 1.5 TeV มันจะมีชีวิตอยู่ได้นานถึง 0.03 วินาทีจากปกติ 0.000002 วินาที (ซึ่งเป็นเวลาของชีวิต ถ้าอยู่นิ่ง) เพราะตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ อนุภาคที่มีความเร็วมากขึ้น จะมีอายุขัยมากขึ้น
ข้อจำกัดที่สำคัญอีกประการหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาคมิวออน คือ ความยากลำบากในการปรับความเร็วของเหล่ามิวออนให้มีค่าใกล้เคียงกัน และก็ได้พบว่าสามารถทำได้โดยการปล่อยเหล่ามิวออนให้เคลื่อนที่ผ่านไปในถังที่มีไฮโดรเจนเหลว เพี่อชะลอความเร็วของมิวออน แล้วส่งต่อเข้าไปในโพรงที่มีคลื่นวิทยุเพื่อบังคับให้มีความเร็วในทิศเดียวกัน แต่มิวออนมีประจุไฟฟ้า ดังนั้นมันจะผลักกันทำให้การโฟกัสลำอนุภาคมิวออนเป็นไปได้ยาก เพื่อกำจัดปัญหานี้ นักฟิสิกส์ใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มที่อาจสูงถึง 50 tesla คือประมาณ 1 ล้านเท่าของความเข้มสนามแม่เหล็กโลกเพื่อเอาชนะแรงไฟฟ้าระหว่างประจุของมิวออน
นอกจากความยุ่งยากเหล่านี้แล้ว ปัญหาที่จะเกิดอีกประการหนึ่งคือเวลามิวออนสลายตัวให้อิเล็กตรอนกับ muon neutrino และ antineutrino อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะพุ่งชนแม่เหล็กที่เป็นตัวนำยวดยิ่งทำให้แม่เหล็กมีอุณหภูมิสูงขึ้น และเสื่อมสมรรถภาพ ดังนั้นนักออกแบบเครื่องเร่งอนุภาคมิวออน จึงต้องคิดรูปแบบการกำจัดและควบคุมอนุภาคอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้น โดยการนำเครื่องไปฝังใต้ดินที่ระดับลึก 200 เมตร
สำหรับนิวตริโนและแอนตินิวตริโนที่เกิดขึ้นนั้น เพราะนิวตริโนแทบไม่ทำอันตรกริยากับสสารใดๆ ดังนั้นมันจะทะลุผ่านหินและดินไปทุกทิศทาง และไปไกลเป็นระยะทางนับร้อยนับพันกิโลเมตรจากเครื่องเร่ง เป็นรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตริโน เพื่อป้องกันภัยอันเนื่องจากรังสีนี้ เครื่องเร่งอนุภาคมิวออนจะต้องอยู่ใต้ดินที่ระดับลึก 200 เมตรขึ้นไป ประชาชนในบริเวณใกล้เคียงเครื่องเร่งจึงจะปลอดภัย แต่ก็คงไม่ทำให้คนทุกคนรู้สึกดี ดังนั้นปัญหาที่จะทำให้ประชาชนรู้สึกปลอดภัยจากเครื่องเร่งมิวออนก็เป็นปัญหาใหญ่อีกปัญหาหนึ่งที่ต้องขบคิด เพราะปัญหาที่จะเกิดมีมาก ดังนั้นเมื่อ 20 ปีก่อน จึงไม่มีใครคิดจะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคมิวออน แต่ความก้าวหน้าทางวิชาการในเวลาต่อมาได้ทำให้ปัญหาเหล่านี้ลุล่วงไปได้มาก เช่น พบวัสดุ (ปรอท) ที่จะให้กำเนิดมิวออน (แทนแกรไฟท์)
เหนือสิ่งอื่นใด นักฟิสิกส์ทุกคนตระหนักว่า ก่อนที่จะมีการสร้างเครื่องเร่งมิวออน เครื่องเร่ง LHC ที่ CERN จะต้องบอกให้รู้ก่อนว่าอนุภาคตัวใหม่ (ที่มีมวลมากกว่าอนุภาค Higgs) จะเกิดเมื่ออนุภาคมิวออนจะต้องมีพลังงานเท่าไร
ถ้าคำตอบมีว่า พลังงาน 0.5 TeV เครื่องเร่งมิวออนแบบเส้นตรงก็เป็นเครื่องที่น่าสร้าง แต่ถ้าคำตอบเป็นค่าที่สูงกว่า 0.5 TeV เครื่องเร่งมิวออนแบบวงกลมก็ควรจะเป็นสิ่งที่ต้องสร้าง
คำตอบจาก LHC จึงเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์เครื่องเร่งมิวออนทุกคนรอคอย
อ่านเพิ่มเติมจาก “Muons for Peace: New Way to Spot Hidden Nukes Get Ready to Debut” โดย Mark Wolverton ใน Scientific Ameracan 297 ปี 2007
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
