xs
xsm
sm
md
lg

อดีตและอนาคตของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN)

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: ผู้จัดการออนไลน์



เมื่อสงครามโลกครั้งที่สองยุติในปี 1945 Robert Oppenheimer นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ซึ่งเป็นผู้อำนวยการโครงการ Manhattan ที่สร้างระเบิดปรมาณูของกองทัพสหรัฐอเมริกา ได้คาดการณ์ว่า ภายในเวลาอีกไม่นาน รัสเซีย อังกฤษ และฝรั่งเศสกับอีกหลายประเทศทั่วโลก ก็จะมีระเบิดปรมาณูใช้ เพราะเทคโนโลยีการผลิตระเบิดมิได้เป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก

ดังนั้น Oppenheimer จึงมีความเห็นว่าองค์การสหประชาชาติควรเข้ามามีบทบาทในการควบคุมการผลิตและประยุกต์ใช้ระเบิดปรมาณู โดยควรจัดตั้งองค์การวิจัยนานาชาติขึ้นมา เพื่อทำหน้าที่จัดการเรื่องนี้โดยเฉพาะ ซึ่งรัฐบาลฝรั่งเศสก็เห็นด้วยและคิดว่าความเป็นนานาชาติของศูนย์วิจัยไม่น่าจะสร้างปัญหาใด ๆ เพราะนักวิทยาศาสตร์อเมริกันส่วนใหญ่สำเร็จการศึกษาจากยุโรป ด้านนักวิทยาศาสตร์เยอรมันก็ไม่มีสิทธิจะเรียกร้องใด ๆ เพราะเยอรมนีเป็นประเทศที่แพ้สงคราม

ดังนั้นถ้านักวิทยาศาสตร์เยอรมันต้องการจะฟื้นฟูสถานภาพการวิจัยวิทยาศาสตร์ของชาติตน ก็จำเป็นต้องทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ชาติอื่น แต่ในเวลาเดียวกัน Oppenheimer ก็ไม่ประสงค์จะให้นักวิทยาศาสตร์ยุโรปเดินทางไปทำงานวิจัยที่อเมริกา Oppenheimer ยังมีความเห็นเพิ่มเติมว่า ศูนย์วิจัยนานาชาติดังกล่าวอาจจัดตั้งขึ้น โดยเน้นการวิจัยฟิสิกส์ก่อน เพราะเป็นวิทยาการที่กำลังก้าวหน้ารวดเร็วที่สุด และการวิจัยฟิสิกส์ต้องการงบประมาณมหาศาลในการสร้างห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ ซึ่งงบประมาณที่ต้องใช้นี้อาจจะมากเกินที่ชาติหนึ่งชาติใดแต่เพียงชาติเดียวจะให้ได้

ด้วยเหตุนี้ในเดือนธันวาคม ปี 1949 Louis de Broglie (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1929) จึงเขียนจดหมายถึงประธานการประชุม European Cultural Conference ซึ่งกำลังจัดที่เมือง Lausanne ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ โดยได้เสนอให้ที่ประชุมพิจารณาความเป็นไปได้ในการสร้างศูนย์ปฏิบัติการวิจัยนิวเคลียร์และอนุภาคมูลฐาน เพื่อให้นักฟิสิกส์จากนานาชาติสามารถมาทำงานวิจัยร่วมกันได้

การระดมความคิดเรื่องศูนย์ปฏิบัติการนานาชาติขนาดใหญ่จึงเกิดขึ้น ท่ามกลางฝ่ายที่เห็นด้วยและฝ่ายที่คัดค้าน ซึ่งต่างก็ให้เหตุผล เช่นว่าโครงการนี้ต้องใช้เงินงบประมาณที่มากมหาศาล ในขณะที่หลายประเทศกำลังประสบปัญหาเศรษฐกิจตกต่ำ เพราะสงครามโลกครั้งที่สองเพิ่งยุติ ดังนั้นบางประเทศจึงอาจมีเงินไม่เพียงพอที่จะสนับสนุนโครงการ นอกจากนี้การจัดแบ่งงบประมาณส่วนหนึ่งของรัฐบาลมาสนับสนุนการวิจัยเฉพาะด้านนิวเคลียร์และอนุภาคมูลฐาน จะทำให้ความเข้มแข็งในการวิจัยด้านอื่น ๆ ลดลง และเหตุผลประการสุดท้าย คือ การทำงานร่วมกันของนักวิจัยจากหลายชาติเพื่อให้ได้ผลสำเร็จนั้น อาจเป็นเรื่องที่ทำได้ยาก เพราะสภาพการทำงานจะเหมือนมากหมอมากความ

ในที่สุดที่ประชุมสมาคมฟิสิกส์แห่งยุโรปก็ตกลงเห็นชอบให้ Isidore Rabi (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1944) เป็นหัวหน้าร่างโครงการจัดตั้งศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป เพื่อเสนอต่อองค์การ UNESCO (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) ของสหประชาชาติ

ลุถึงวันที่ 13 ธันวาคม ค.ศ.1951 ในการประชุมของสมาคมฟิสิกส์แห่งยุโรป ที่กรุงปารีส ในประเทศฝรั่งเศส ประเทศสมาชิกจำนวน 21 ประเทศได้เลือกผู้แทน 4 คน คือ George P. Thomson (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1937) จากอังกฤษ Francis Perrin ซึ่งเป็นบุตรของ Jean B. Perrin (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1926) จากฝรั่งเศส Werner K. Heisenberg (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1932) จากเยอรมนี และ Niels H. Bohr (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1922) จากเดนมาร์ก ให้เข้าร่วมประชุมกับ Pierre V. Auger จากฝรั่งเศสซึ่งเป็นตัวแทนของ UNESCO (Auger คือ ผู้พบปรากฎการณ์ Auger ในปี 1925 ซึ่งมีอะตอมที่ถูกกระตุ้นแล้วปล่อยอิเล็กตรอน (เรียก Auger electron) ออกมา แทนที่จะปล่อย photon

ในที่สุดที่ประชุมได้มีความเห็นสอดคล้องกันว่า ยุโรปจำเป็นต้องมีศูนย์วิจัยนิวเคลียร์และอนุภาคมูลฐาน ซึ่งมีห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ให้นักฟิสิกส์นานาชาติหลายพันคนสามารถมาทำงานร่วมกันได้


ในการกล่าวสรุปผลการประชุม Auger ได้กล่าวขอบคุณคณะนักฟิสิกส์จากสหรัฐฯ ที่ได้จุดประกายความคิดเรื่องนี้
ด้าน Thomson ได้ชี้แจงเชิงออกตัวว่า รัฐบาลอังกฤษคงไม่มีงบประมาณมากพอที่จะสนับสนุนศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ได้อย่างเต็มที่ เพราะอังกฤษมีโครงการวิจัยด้านอื่น ๆ อีกหลายโครงการที่ต่างก็ต้องการงบประมาณสนับสนุน ดังนั้นจึงขอเสนอให้นักฟิสิกส์ชาติใดทำงานวิจัยต่อไปในประเทศของตนก่อน จนกระทั่งศูนย์ปฏิบัติการใหม่พร้อมที่จะให้เดินทางมาทำงานได้ และถ้าศูนย์วิจัยฯ ต้องการสร้างเครื่องเร่งอนุภาค ก็ให้ใช้เครื่องเร่งอนุภาคพลังงาน 400 MeV ของมหาวิทยาลัย Liverpool ในประเทศอังกฤษเป็นต้นแบบ Thomson ได้กล่าวทิ้งท้ายว่า ความยิ่งใหญ่ของศูนย์วิจัยใด ๆ มิได้อยู่ที่เงินงบประมาณที่ได้รับ แต่อยู่ที่คุณภาพของนักวิจัยที่ศูนย์

สำหรับ Perrin ได้กล่าวถึงความสำเร็จในอดีตของนักฟิสิกส์ยุโรปว่า เป็นผู้พบอิเล็กตรอน (โดย J.J. Thomson ในปี 1897) พบโปรตอน (โดย E. Rutherford ในปี 1917) และพบนิวตรอน (โดย J. Chadwick ในปี 1932) ในอนาคตถ้ายุโรปยังไม่มีอุปกรณ์ทดลองที่มีประสิทธิภาพสูง อีกไม่นานนักฟิสิกส์ยุโรปจะอพยพไปทำงานวิจัยในอเมริกาหมด เพราะสหรัฐอเมริกามีห้องปฏิบัติการที่ทันสมัยกว่าและดีกว่า

ส่วน Heisenberg ได้ชี้แจงว่า ในฐานะที่เยอรมนีเป็นประเทศแพ้สงคราม ดังนั้นรัฐบาลเยอรมันจึงมีปัญหาในการจัดสรรเงินงบประมาณซึ่งส่วนใหญ่ต้องใช้ในการบูรณะประเทศ Heisenberg เห็นความจำเป็นที่ยุโรปจะต้องมีศูนย์วิจัยนานาชาติ ให้นักวิจัยมาทำงานให้ได้ผล แต่ต้องใช้เวลาไม่นาน และไม่ใช้งบประมาณมากจนเกินไป

ในที่สุดรัฐบาลฝรั่งเศส สวิตเซอร์แลนด์ อิตาลี เบลเยี่ยม และยูโกสลาเวีย ได้สัญญาจะให้ทุนสนับสนุนประเทศละ 151,000 ดอลลาร์ เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการจัดตั้งศูนย์วิจัย

สำหรับประเด็นสถานที่จัดตั้งศูนย์นั้น ผู้แทนจากเดนมาร์กได้เสนอให้ กรุง Copenhagen ของประเทศเดนมาร์กเป็นที่ตั้งของศูนย์ฯ แข่งกับกรุง Geneva ของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ที่มีอิตาลีกับเบลเยี่ยมเป็นผู้สนับสนุน ผลการลงคะแนนปรากฎว่า Geneva ชนะ

เดือนตุลาคม ค.ศ.1952 จึงเป็นเวลาที่ศูนย์วิจัย Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) ถือกำเนิด เพราะได้มีการลงนามอย่างเป็นทางการ ที่กรุง Geneva โดยมีสมาชิกจาก 12 ประเทศร่วมลงนาม คือ เบลเยี่ยม เดนมาร์ก ฝรั่งเศส เยอรมนี กรีซ อิตาลี เนเธอร์แลนด์ นอร์เวย์ สวีเดน สวิตเซอร์แลนด์ อังกฤษ และยูโกสลาเวีย

จุดประสงค์หลักของ CERN คือ เพื่อศึกษาโครงสร้างพื้นฐานของสสารทุกชนิดและอันตรกิริยาต่าง ๆ ในเอกภพ โดยใช้อุปกรณ์ เช่น เครื่องเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูง คือ มีความเร็วใกล้ความเร็วแสง แล้วให้อนุภาคพุ่งชนกัน จากนั้นใช้อุปกรณ์ตรวจจับที่มีสมรรถภาพสูงเพื่อวิเคราะห์และศึกษาผลที่เกิดขึ้นจากการชนนั้น เพื่อจะสร้างความเข้าใจในธรรมชาติของอนุภาคทุกชนิดที่เกิดใหม่ รวมถึงเข้าใจอันตรกิริยาทั้ง 3 ชนิด อันได้แก่ อันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า อันตรกิริยาอย่างอ่อน และอันตรกิริยาอย่างเข้มด้วย


ศูนย์ปฏิบัติการ CERN ได้เริ่มดำเนินการ เมื่อวันที่ 29 กันยายน ค.ศ.1954 โดยมีอีก 11 ประเทศเข้าร่วมเป็นสมาชิก ซึ่งได้แก่ ออสเตรีย สเปน โปรตุเกส ฟินแลนด์ โปแลนด์ เชคโกสโลวาเกีย ฮังการี บัลแกเรีย อิสราเอล โรมาเนีย และเซอร์เบีย สมาชิกก่อตั้งทั้งหมดจึงมี 23 ประเทศ โดยมี Felix Bloch (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1952) ผู้มีสัญชาติสวิส-อเมริกัน เป็นผู้อำนวยการคนแรก ผลงานของ CERN ที่มีนักฟิสิกส์นับหมื่นคนจากนานาชาติมาทำงานประจำ ได้บุกเบิกโลกวิทยาการและโลกเทคโนโลยีมากมาย ที่สำคัญได้แก่

การสร้าง World Wide Web ในปี 1989 โดย Tim Berners-Lee ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่ CERN ผู้มีความประสงค์จะให้นักฟิสิกส์ที่ CERN และทั่วโลกสามารถแชร์ข้อมูลและสามารถสื่อสารถึงกันได้อย่างรวดเร็ว ในการสร้างสิ่งประดิษฐ์นี้ Berners-Lee ได้รวบรวมเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ เครือข่ายข้อมูลและ hypertext ให้เป็นระบบเดียว เทคโนโลยีนี้ได้นำโลกเข้าสู่ยุควิทยาศาสตร์สารสนเทศน์เป็นครั้งแรก

ในส่วนของการค้นพบทางฟิสิกส์ที่สำคัญก็มีมากมาย เช่น การได้พบการสลายตัวของอนุภาค pion (ซึ่งประกอบด้วย quark ชนิด up กับ antiquark ชนิด down) ให้อนุภาค muon และ muon neutrino เหตุการณ์นี้แสดงนัยยะว่า ในอันตรกิริยาอย่างอ่อน (weak interaction) จะมีอนุภาค W+ , W- เกิดขึ้น กระนั้นก็ยังไม่มีใครเห็นอนุภาคทั้งสองนี้

ในปี 1973 นักทดลองที่ CERN ได้เห็นปรากฏการณ์ neutral current เป็นครั้งแรก เมื่ออนุภาค electron neutrino พุ่งชน electron แต่ไม่มีการแลกเปลี่ยนประจุกันเหตุการณ์นี้แสดงว่าธรรมชาติมีอนุภาค Z0 ซึ่งก็ยังไม่มีใครพบอีกเช่นกัน
ในเวลานั้นข้อมูลต่าง ๆ ที่ได้จากการทดลองล้วนชี้นำว่าทฤษฎีของ S. Glashow, A. Salam และ S. Weinberg ที่ได้สังเคราะห์อันตรากิริยาอย่างอ่อนกับอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งเดียวนั้น เป็นทฤษฎี electroweak ที่ถูกต้อง
ทฤษฎี electroweak ของ S. Glashow , A. Salam และ S. Weinberg ซึ่งได้จากการรวมทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ทฤษฎีแสง และทฤษฎีกัมมันตรังสี เข้าเป็นหนึ่งเดียว ทฤษฎีนี้ได้ทำนายว่า อนุภาค photon , W+ , W- และ Z0 ซึ่งเป็นอนุภาคพาหะที่ใช้ในอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า อันตรกิริยาอย่างอ่อน และอันตรกิริยาอย่างเข้ม ไม่มีมวล แต่ในความเป็นจริง อนุภาค photon เท่านั้น ที่ไม่มีมวล ส่วน W+ , W- และ Z0 ล้วนมีมวล

แต่การจะเห็นอนุภาค W+ , W- และ Z0 ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะจากเหตุการณ์ที่มีอนุภาคชนกันหลายล้านครั้งต่อวินาที จะมีอนุภาค W+ , W- และ Z0 เกิดขึ้นเพียง 5-6 ครั้งเท่านั้นเอง ดังนั้นการสร้างเครื่องตรวจจับอนุภาคที่มีประสิทธิภาพสูงมาก จึงเป็นเรื่องจำเป็น

George Charpak เป็นนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ซึ่งได้ทำงานที่ CERN มาตั้งแต่ปี 1959 และสนใจเรื่องการสร้างเครื่องตรวจจับอนุภาค จากประสบการณ์ที่นักฟิสิกส์ในอดีตเคยใช้เครื่องตรวจจับแบบ bubble chamber และ cloud chamber ที่มีประสิทธิภาพไม่สูง เพราะไม่ว่องไว คือทำงานช้า เครื่องจึงรับข้อมูลได้น้อย ทำให้เหมาะใช้กับเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานต่ำ แต่เมื่อเครื่องเร่งอนุภาคมีพลังงานสูงขึ้น ๆ และการชนกันระหว่างอนุภาคสามารถเกิดขึ้นได้หลายล้านครั้งในหนึ่งวินาที การตรวจจับผลที่เกิดขึ้นจึงต้องใช้เครื่องตรวจจับที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิมมาก

ในปี 1968 Charpak ได้ออกแบบเครื่องตรวจรับ drift chamber ที่มีแก๊สเฉื่อยอยู่ภายในและมีเส้นลวดบางละเอียดจำนวนมาก วางเรียงห่างกัน 1.2 มิลลิเมตรใน 3 มิติ โดยให้เส้นลวดตรงกลางมีศักย์ไฟฟ้าบวก ส่วนเส้นลวดข้าง ๆ มีศักย์ไฟฟ้าลบ
เมื่ออนุภาคผ่านเข้ามาในเครื่องตรวจจับ อะตอมของแก๊สจะแตกตัวเป็นไอออนบวกและประจุลบ จากนั้นอนุภาคต่าง ๆ จะเคลื่อนที่ไปปะทะเส้นลวด ทำให้เกิดสัญญาณ ณ ตำแหน่งที่อนุภาคกระทบลวด สัญญาณที่ได้รับจะบอกเส้นทางและข้อมูลพลศาสตร์ของไอออนและอนุภาค

อุปกรณ์นี้ได้ช่วยให้ Carlo Rubbia และ Simon van der Meer ได้พบอนุภาค W+ , W- และ Z0 ในเวลาต่อมา ความสำคัญของการพบนี้ทำให้ Charpak ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1992

ด้าน Carlo Rubbia เป็นนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ซึ่งได้เดินทางมาปฏิบัติการวิจัยที่ CERN ตั้งแต่ปี 1960 และสนใจการค้นหาอนุภาคต่าง ๆ ที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้ทำนายไว้ว่าจะเกิดขึ้นในเหตุการณ์ที่ต้องอาศัยอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งตามปกติจะมีพิสัยสั้น คือประมาณ 10-15 เมตร และอนุภาคที่ใช้ในอันตรกิริยาดังกล่าว จะมีมวลประมาณ 100 เท่าของอนุภาคโปรตอน เพราะระยะทางที่เกี่ยวข้องในอันตรกิริยาอย่างอ่อนมีค่าน้อยมาก ดังนั้นมวลของอนุภาค W+ , W- และ Z0 จึงมีค่ามาก ทำให้เครื่องเร่งอนุภาคที่ต้องใช้ในการสร้างอนุภาคทั้งสาม จึงต้องมีพลังงานสูงมากตามไปด้วย

Rubbia ได้เสนอให้มีการเร่งลำอนุภาค (beam) โปรตอนกับลำอนุภาคแอนติโปรตอน (antiproton) ซึ่งเป็นปฏิยานุภาคของโปรตอนให้พุ่งชนกันอย่างรุนแรง

ตามปกติเมื่อโปรตอนชนกับแอนติโปรตอน ทฤษฎีฟิสิกส์ทำนายว่าจะมีอนุภาค W+ และ W- เกิดขึ้น และในเวลาต่อมาอนุภาคทั้งสองจะสลายตัวให้ electron กับ electron neutrino ภายในเวลา 10-20 วินาที

ในวันที่ 6 ธันวาคม ค.ศ.1982 Carlo Rubbia กับ Simon van der Meer ก็ได้เห็นอนุภาค W+ จำนวน 5 อนุภาคเกิดขึ้นหลังจากที่มีการชนนับล้านครั้ง อีกหนึ่งปีต่อมาคนทั้งสองก็ได้เห็นอนุภาค Z0 อีก ผลงานนี้มีผู้ร่วมวิจัย 130 คนและได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในปี 1984

Simon van der Meer เป็นวิศวกร ชาวเนเธอร์แลนด์ ซึ่งได้มาทำงานที่ CERN ตั้งแต่ปี 1956 และสนใจการค้นหา W+ , W- และ Z0 เช่นเดียวกับ Rubbia ที่ CERN van der Meer ได้พัฒนาเทคนิค stochastic cooling ซึ่งเป็นเทคนิคที่ทำให้นักฟิสิกส์สามารถโฟกัสลำอนุภาคได้ เพราะอนุภาคที่มีประจุบวก ดังนั้นเวลาอยู่ในลำอนุภาคจะมีแรงไฟฟ้าผลักกันทำให้ลำอนุภาคบานออก van der Meer ได้เสนอให้ใช้สนามแม่เหล็กควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุตลอดเส้นทาง ให้อนุภาคที่เคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลางของลำ ให้โค้งกลับเข้าสู่บริเวณศูนย์กลาง การโฟกัสจึงดีขึ้น Rubbia กับ van der Meer ได้นำเทคนิคนี้ไปใช้ จนพบอนุภาคทั้งสาม เมื่อเดือนพฤษภาคม ปี 1979


ผลงานนี้ทำให้ Carlo Rubbia กับ Simon van der Meer ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1984 ร่วมกัน เพราะการทดลองได้ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎี Standard Model ที่นักฟิสิกส์ใช้อธิบายสมบัติทางกายภาพของสสารทุกชนิด รวมถึงอันตรกิริยา 3 3 ชนิดจาก 4 ชนิด คือ ยกเว้นอันตรกิริยาโน้มถ่วง

Standard Model แถลงว่าสสารประกอบด้วย quark 6 ชนิด คือ ชนิด up , down , charm , strange , top , bottom และมี lepton 6 ชนิด คือ electron , muon , tau , electron neutrino , muon neutrino , tau neutrino โดยอนุภาคทั้ง 12 ชนิดนี้ เป็นอนุภาค fermion นอกจากนี้เอกภพยังมีอนุภาค boson ที่ทำหน้าที่เป็นสื่ออีก 4 ชนิด คือ photon , Z boson , W boson และ gluon รวมทั้งสิ้น 16 ชนิด

Standard Model ยังทำนายอีกว่า เอกภพจะต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง คือ อนุภาค Higgs ที่ยังไม่มีใครพบ

การค้นหาอนุภาค Higgs จึงเป็นเรื่องที่มีความสำคัญมากเพราะถ้า Higgs มีจริง นั่นเสดงว่าทฤษฎี Standard Model ถูกต้อง แต่ถ้าไม่พบ Higgs นั่นแสดงว่า ทฤษฎี Standard Model จะต้องมีการปรับเปลี่ยนใหม่

การค้นหาอนุภาค Higgs จึงได้เกิดขึ้นตั้งแต่วันที่ 8 สิงหาคม ค.ศ.2008 โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค ชื่อ Large Hadron Collider (LHC) ที่มีลักษณะเป็นวงกลมที่มีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร และตัวเครื่องเร่งเป็นท่อที่ฝังลึกใต้ดินลึกประมาณ 90 เมตร อีกทั้งมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเพื่อเร่งอนุภาคโปรตอนให้มีความเร็วประมาณ 99.9999991% ของความเร็วแสง คือเร็วจนโปรตอนสามารถเคลื่อนที่ในเครื่องเร่งได้ 11,000 รอบใน 1 วินาที

ดังนั้นเมื่อให้ลำโปรตอนทั้งสองลำพุ่งชนกัน การปะทะอย่างรุนแรงจะทำให้เกิดอนุภาคชนิดต่าง ๆ มากมาย และได้มีการติดตั้งเครื่องตรวจจับอนุภาค 4 เครื่อง ที่มีชื่อย่อว่า ALICE , LHCb , ATLAS และ CMS เพื่อให้สามารถเห็น W+ , W- , Z0 และอนุภาค Higgs ได้

ในวันที่ 4 กรกฎาคม ค.ศ.2012 การค้นพบที่สำคัญที่สุดในประวัติการทำงานของ CERN ก็ได้เกิดขึ้น นั่นคือ การพบอนุภาค Higgs และผลงานนี้ทำให้ Peter Higgs กับ Francois Englert ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ประจำปี 2013

ในความพยายามจะอธิบายสาเหตุที่ W+ , W- , Z0 มีมวล Englert และ Higgs ได้เสนอกลไกที่ทำให้อนุภาคมีมวลว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดหลังจาก Big Bang ใหม่ ๆ ณ เวลา 10-12 วินาที เอกภพยังไม่มีสนาม Higgs เมื่ออุณหภูมิของเอกภพลดลง ๆ สนาม Higgs ก็ได้ถือกำเนิด ทำให้อนุภาคต่าง ๆ เริ่มมีมวล เพราะถ้าอันตรกิริยาระหว่างสนาม Higgs กับอนุภาคมีค่ามาก มวลของอนุภาคนั้นก็จะมาก และการที่มวลของอนุภาคมีค่าน้อย เพราะอนุภาคนั้นมีอันตรกิริยากับสนาม Higgs ค่อนข้างน้อย ในทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม สนามควอนตัมทุกสนามมีอนุภาคเป็นของคู่กัน ดังนั้นสนาม Higgs ก็มีอนุภาค Higgs

การพบอนุภาค Higgs จึงทำให้ทฤษฎี Standard Model มีความน่าเชื่อถือมาก เพราะสามารถอธิบายสมบัติของสสารได้ทุกชนิด ตั้งแต่อะตอม ตลอดไปจนถึงกาแล็กซี รวมถึงสามารถทำนายปรากฎการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอันตรกิริยา strong , weak และ electromagnetic ได้ด้วย แต่ทฤษฎีนี้ก็ยังไม่สมบูรณ์ เพราะยังไม่สามารถอธิบายปรากฎการณ์โน้มถ่วง และธรรมชาติของสสารมืดกับพลังงานมืดได้

ดังนั้นงานวิจัยที่ CERN จะทำต่อไปในอนาคต จึงมีอีกมาก ซึ่งได้แก่ เช่น ศึกษาธรรมชาติของอนุภาค Higgs ว่าเวลาสลายตัวให้อนุภาค muon สองอนุภาค จะค้นหาอนุภาคที่มีในทฤษฎี supersymmetry ว่ามีหรือไม่มี ศึกษาว่าเอกภพมี 11 มิติจริงหรือไม่ รังสี Hawking จากหลุมดำขนาดจิ๋วมีธรรมชาติเป็นอย่างไร นักฟิสิกส์จะมีทฤษฎีของสรรพสิ่งเมื่อใด แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อสสารและปฏิสสารแตกต่างกันหรือไม่ รวมถึงการประยุกต์ใช้เครื่องเร่งอนุภาคในการรักษามะเร็ง ฯลฯ

คำตอบสำหรับปริศนาเหล่านี้ จะได้จากการที่นักฟิสิกส์มีเครื่องเร่งอนุภาค US/European super proton collider ที่มีเส้นรอบวงยาว 100 กิโลเมตร และมีพลังงานมากกว่าเครื่องเร่ง LHC ประมาณ 7 เท่า ในอนาคต


อ่านเพิ่มเติมจาก History of CERN โดย Hermann จัดพิมพ์โดย European Organization for Nuclear Research . Amsterdam: North-Holland Physics Pub. 1987


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
กำลังโหลดความคิดเห็น...