นับตั้งแต่ปี 2009 เป็นต้นมา นักฟิสิกส์จำนวนนับพันคนที่ ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป European Organization for Nuclear Research, (CERN) ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ที่มีพลังงานมากที่สุดในโล) เร่งอนุภาคโปรตอนให้พุ่งชนกัน ด้วยความเร็ว 99.9999991% ของความเร็วแสง เพื่อจะได้เห็นเหตุการณ์ที่เกิดหลัง Big Bang ใหม่ๆ ภายในเวลา 10^(-9) วินาที อย่างใกล้ชิดติดจอเลยทีเดียว
และแล้วความฝันหนึ่งก็ได้กลายเป็นความจริง ในวันพุธที่ 4 กรกฎาคม ปี 2012 เมื่อ CERN ได้ออกแถลงการณ์ประกาศข่าวการพบอนุภาค Higgs boson (สัญลักษณ์ H^(0)) ที่ทุกคนคาดหวัง และยินดีมาก เพราะการได้พบอนุภาคพระเจ้า ทำให้นักฟิสิกส์รู้สึกมั่นใจว่า ทฤษฎี Standard Model อันเป็นทฤษฎีสรณะที่ใช้อธิบายสมบัติของอนุภาคมูลฐานทั้ง 24 ตัว เวลามีอันตรกิริยาไฟฟ้า และนิวเคลียร์ต่อกัน (อนุภาคมูลฐานเป็นอนุภาคที่ไม่สามารถจะแบ่งแยกให้มีขนาดเล็กลงไปได้อีก) แต่ Standard Model ก็ยังเป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์แบบ เพราะยังไม่สามารถอธิบายที่มาของสสารมืด และพลังงานมืด อีกทั้งยังไม่สามารถตอบได้ว่า ปฏิสสาร (antimatter) ได้หายไปไหน เพราะในเอกภพมีพบแต่สสาร (matter) เท่านั้น และยังไม่สามารถบอกได้ว่า H^(0) เป็นอนุภาคมูลฐานหรือไม่ และ H^(0) มีกี่ชนิด ฯลฯ
แม้คำถามที่ไม่มีคำตอบจะมีมากมาย แต่ความสำเร็จในการพบ H^(0) ก็ได้ทำให้ Peter Higgs (1929-ปัจจุบัน) กับ Francois Englert (1932-ปัจจุบัน) ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2013 ไปเรียบร้อย
เมื่อมีประเด็นที่ต้องการจะรู้คำตอบมากเช่นนี้ วงการฟิสิกส์ จึงมีความเห็นพ้องกันว่า การจะพบอนุภาคใหม่ ๆ จำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงยิ่งกว่า LHC ขึ้นไปอีก เพราะพลังงาน (E) สามารถเปลี่ยนไปเป็นมวล (m) ได้ตามสมภพ E = mc2 เมื่อ c คือความเร็วแสง
สำหรับเครื่องเร่งอนุภาค LHC นั้น หลังจากที่ต้องใช้เวลาสร้างนาน 13 ปี ก็ได้เริ่มเดินเครื่องเป็นครั้งแรกเมื่อเดือนพฤศจิกายน ปี 2009 ตัวอุปกรณ์เป็นท่อที่ภายในเป็นสูญญากาศ โดยท่อได้ถูกนำมาวางเรียงเป็นวงกลมที่มีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร และมีรัศมียาว 4 กิโลเมตร โดยใช้งบประมาณในการสร้าง 3 แสนล้านบาท ด้วยงบประมาณที่สูงมากเช่นนี้ จะเป็นภาระทางการเงินที่ชาติหนึ่งชาติใดจะรับได้ ดังนั้นโครงการ LHC จึงเป็นโครงการนานาชาติที่ต้องการงบประมาณสนับสนุนจากหลายประเทศทั่วโลก และต้องการบุคลากรนับหมื่นมารวมกันทำงาน
เพราะเหตุว่าโปรตอนที่ใช้ในการเร่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก ดังนั้นถ้าจะให้มันเคลื่อนที่เป็นทางโค้ง เราจำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากมาเบี่ยงเบน เส้นทางโคจรของมัน ด้วยเหตุนี้ LHC จึงจำเป็นต้องใช้แท่งแม่เหล็กจำนวน 1,232 แท่ง ที่แต่ละแท่งมีความยาว 15 เมตร วางเรียงรายตามเส้นรอบวงของวงกลม และในการทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีความเข็มสูงมาก CERN จึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว ปริมาตร 7 แสนลิตร ที่อุณหภูมิ -271 องศาเซลเซียส มาหล่อเลี้ยงท่อตลอดเวลาที่โปรตอนเคลื่อนที่ใปรอบท่อได้วินาทีละ 10,000 รอบ และเมื่อโปรตอนเคลื่อนที่เป็นวงกลม มันจะมีความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง เหตุการณ์นี้จะทำให้มันแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีแกมมา และรังสีเอ็กซ์ ที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ดังนั้นท่อทั้งหมดของอุปกรณ์ LHC จึงถูกฝังใต้ดินที่ระดับลึก 100 เมตรเพื่อความปลอดภัยของทุกคน
ในการยิงอนุภาคโปรตอนให้พุ่งชนกันนั้น จะมีความซับซ้อนมากกว่าการยิงอิเล็กตรอนให้พุ่งชนกันมาก เพราะอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่แบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นการชนกันระหว่างอิเล็กตรอน จึงเป็นการชนระหว่างจุดกับจุด แต่โปรตอนมิได้เป็นอนุภาคมูลฐาน เพราะประกอบด้วยอนุภาค quark ชนิด up 2 อนุภาคกับชนิด quark down 1 อนุภาค ดังนั้นเวลาโปรตอนปะทะโปรตอน จึงเป็นการชนระหว่างอนุภาค 6 ตัวความซับซ้อนจึงมีมากมาย จนต้องใช้เครื่องตรวจจับที่มีความไวสูงและละเอียดมาก จึงจะสามารถเห็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้หมด
ด้วยเหตุนี้ ณ จุดบนเส้นรอบวงของท่อที่มีการปะทะกันระหว่างอนุภาค จึงต้องมีเครื่องตรวจจับภาพ (detector) ของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น เพื่อวัดความเร็วและตำแหน่งของอนุภาคทั้งหลายทั้งหมดที่เกิดใหม่ ในกรณีของ LHC จึงมีเครื่องตรวจจับทั้งหมด 4 เครื่อง ชื่อ ATLAS, CMS, ALICE และ LHCb, เพื่อศึกษาและวัดผลกระทบที่เกิดจากการชนกันของอนุภาคโปรตอน ซึ่งแต่ละอนุภาคมีพลังงานจลน์เทียบเท่ากับรถไฟความเร็วสูง TGV ของฝรั่งเศส เลยทีเดียว การมีเครื่องตรวจจับถึง 4 เครื่อง นั้น ก็เพื่อจะให้เหล่าเครื่องได้ตรวจสอบ ความถูกต้องและความแม่นยำของกันและกัน
อนึ่งเวลาปล่อยอนุภาคให้พุ่งชนกันนั้น จากจำนวน 100 ล้านล้าน (10^(14)) อนุภาคจะถูกปล่อยออกมาเป็นกลุ่มๆ โดยแต่ละกลุ่มจะมีอนุภาคประมาณ 10^(11) ตัว โดยทิ้งจังหวะให้และอยู่ห่างกันประมาณ 15 เมตร นั่นคือในทุก 50 นาโนวินาที (50x10^(-9) วินาที) ครั้นเมื่อกลุ่มโปรตอนเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก ขนาดของกลุ่มก็จะถูกบีบอัดให้เล็กลง โปรตอนจึงมีพลังงานจลน์เพิ่มสูงขึ้นไปอีก
ในภาพรวมเราจึงเห็นการเจริญเติบโตของเครื่องเร่งอนุภาคว่า เมื่อ 70 ปีก่อน อุปกรณ์ cyclotron ที่ Ernest Lawrence (1901-1958) สร้างเป็นครั้งแรก มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวเพียง 470 เมตร จนมาเป็น LHC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวถึง 8,000 เมตร ได้อย่างไร และในอนาคตเครื่อง FCC ก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีก เพื่อก้าวพ้นขอบเขตความสามารถในการสร้างอนุภาคชนิดใหม่ ๆ นอกเหนือจาก H^(0) ที่แม้ LHC จะสร้างได้หลายอนุภาคแล้ว แต่ก็ยังไม่มากพอจะรู้ว่า มันเป็นอนุภาคมูลฐานหรือไม่ และถ้าไม่เป็น H^(0) ก็อาจจะประกอบด้วยอนุภาคชนิดใหม่ ที่นักฟิสิกส์ยังไม่รู้จักก็ได้ ซึ่งถ้าเรื่องนี้เป็นความจริง ธรรมชาติก็จะต้องมีอันตรกิริยาชนิดใหม่ด้วย นอกจากนั้น นักฟิสิกส์ก็ยังไม่รู้ชัดว่าเวลา H^(0) สลายตัว จะมีอนุภาค bottom quark, photon Z boson, tau electron เกิดขึ้นบ่อยเพียงใด การรู้ความถี่ในการสลายตัวให้อนุภาคต่าง ๆ จะทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่าธรรมชาติมี H^(0) กี่ชนิดกันแน่
การมีอนุภาค Higgs boson หลายชนิดจะเป็นสัญญาณบอกว่า ทฤษฎีที่ต่อยอดจาก Standard Model ซึ่งเป็นที่รู้จักในนาม ทฤษฎี Supersymmetry (หรือ SUSY) นั้นถูกต้อง เพราะทฤษฎีนี้ทำให้เราทราบว่าจะมี superparticle ที่เป็นคู่ของ particle ทั้ง 24 ตัว ใน Standard Model เช่น gluon ก็จะคู่ชื่อ gluino ส่วน quark ชนิด bottom ก็จะมี sbottom squark เป็นคู่ และ electron ก็จะมี selectron เป็นคู่ เป็นต้น โดยอนุภาค superparticle เหล่านี้ จะมีมวลมาก อย่างน้อยก็ 600 GeV ขึ้นไป (H^(0) มีมวล 125 GeV)
นักฟิสิกส์ชอบทฤษฎี supersymmetry มากเพราะทฤษฎีนี้ให้ความสำคัญของอนุภาค fermion และอนุภาค boson อย่างเท่าเทียมกัน (อนุภาค fermion ได้แก่ quark, electron ส่วนอนุภาค boson ได้แก่ photon, gluon และ Higgs boson) แทนที่จะมีสองทฤษฎีคือ ทฤษฎี fermion กับทฤษฎี boson แยกกัน เราก็มีทฤษฎี SUSY เป็นทฤษฎีหนึ่งเดียว นี่จึงเป็นการสังเคราะห์ทฤษฎีต่างๆ ให้สมบูรณ์ขึ้นในอีกระดับหนึ่ง แต่ก็ยังไม่สมบูรณ์ที่เดียวนัก เพราะยังไม่ได้รวมทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของ Einstein
นอกจากทฤษฎี SUSY จะทำนายว่ามี superparticle อีกมากมายแล้ว SUSY ยังระบุอีกว่าอนุภาคโปรตอนที่คนทั้งโลกรู้ดีว่าเสถียร คือไม่มีวันสลายตัวนั้น จริงๆ แล้ว ไม่เสถียร คือจะสลายตัวภายในเวลา 10(34) ปี แต่การที่โปรตอนไม่สลายตัว เพราะธรรมชาติมี superparticle จำนวนมากที่ยับยั้งมันไว้
ข้อสังเกตอีกประการหนึ่งที่ทฤษฎี SUSY คาดว่า สามารถจะอธิบายได้คือ ธรรมชาติของสสารมืด ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลมากมหาศาล แต่มีอันตรกิริยาค่อนข้างนิ่มนวลกับอนุภาคธรรมดา แต่มีอิทธิพลมากในการทำให้กาแล็กซีทรงรูปอยู่ได้ด้วยอันตรกิริยาโน้มถ่วง ในทฤษฎี Standard Model ไม่มีอนุภาคใด ๆ ที่มีคุณสมบัติเช่นเลย
แต่ทฤษฎี SUSY มีหลายอนุภาค เช่น neutralino ที่แทบจะไม่มีอันตรกิริยาใดๆ กับสสารที่อยู่ในเครื่องตรวจจับเลย อนุภาค neutralino ไม่มีประจุ แต่สามารถมีอันตรกิริยาโน้มถ่วงกับอนุภาคอื่นๆ เท่านั้น
สำหรับประเด็นสุดท้ายที่ต้องการจะพิสูจน์ คือ การพบว่าเอกภพมีมิติมากกว่า 4 ซึ่งเป็นคำทำนายของทฤษฎี String ที่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของความเชื่อที่ว่า อนุภาคต่างๆ ในเอกภพเกิดจากการสั่นของเชือกที่สั้นมากๆ แต่ตราบถึงวันนี้ก็ยังไม่มีหลักฐานมายืนยันว่าคำทำนายของทฤษฎีนี้มีมูลความจริง
นักฟิสิกส์จึงรอคอยการพิสูจน์ว่า มีทฤษฎีอะไรบ้างที่จริง ถูกต้อง และสมบูรณ์ จนถึงระดับที่สามารถพยากรณ์เหตุการณ์ต่าง ๆ ได้หมด ดังนั้น ทุกคนจึงตั้งความหวังว่าจะมีเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงยิ่งกว่า LHC เพื่อทดลองยิงอนุภาคให้ชนกัน
เมื่อวันที่ 24 กุมภาพันธ์ ที่ผ่านมานี้ CERN ได้แถลงข่าวว่าภายในปี 2045 จะมีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงยิ่งกว่า LHC ถึง 8 เท่า เครื่องเร่งนี้จึงเป็น supercollider ที่มีชื่อเรียกเป็นทางการว่า Future Circular Collider (FCC) ซึ่งมีจุดมุ่งหมายจะศึกษาธรรมชาติของเอกภพส่วนที่เป็น dark matter กับ dark energy ที่ตามองไม่เห็น เครื่องเร่งใหม่นี้ มีประสิทธิภาพสูงกว่า LHC มาก เพราะสามารถประมวลข้อมูลที่เก็บได้ภายในเวลา 11 ปี มาสรุปโดยการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ภายในเวลาเพียง 2 นาที
FCC อาจจะตอบคำถามได้ว่า มีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง ขณะเกิด Big Bang และสสารมืดกับพลังงานมืดมีธรรมชาติที่แท้จริงเป็นอย่างไร ตลอดจนถึงสามารถตอบคำถามได้ว่า ปฏิสสารที่เกิดพร้อมสสารนั้นได้อันตรธานไป ณ ที่ใด
การสร้างเครื่องเร่งอนุภาค FCC ในอนาคต FCC จะแบ่งออกเป็น 2 ระยะ คือในระยะแรก จะเป็นเครื่องเร่งอิเล็กตรอนให้ชนกับโพชิตรอน เรียก FCC-ee (positron เป็นปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน จึงมีประจุบวกและมีมวลเท่าอิเล็กตรอนทุกประการ) การชนกันนี้จะให้กำเนิดอนุภาค Higgs boson บ่อยและเป็นจำนวนมาก อีกทั้งให้ข้อมูลที่แม่นยำและละเอียดประมาณ 100 เท่าของข้อมูลที่ LHC ให้ และในระยะที่สอง FCC-ee จะถูก upgrade เป็นซูเปอร์เครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนให้ชนกับโปรตอน เครื่องเร่งนี้จะมีชื่อเรียกเป็นทางการว่า FCC-hh (h มาจากคำ hadron) และนักฟิสิกส์ทุกคนคาดหวังว่า FCC-hh จะเปิดเผยโฉมหน้าของเอกภพที่ยังไม่มีใครเคยเห็นได้
CERN จะสร้าง FCC-ee ที่มีเส้นรอบวงยาวประมาณ 100 กิโลเมตร ณ ตำแหน่งที่ใกล้เครื่องเร่งอนุภาค LHC คือ ล้อมรอบกรุง Geneva โดยจะเริ่มสร้างในอนาคตอีก 8 ปี และมีกำหนดจะเสร็จประมาณปี 2040
โครงการระยะแรกจะต้องใช้งบประมาณมากถึง 525,000 ล้านบาท โดยมีผู้เชี่ยวชาญจาก 150 มหาวิทยาลัย
ทั่วโลกมาทำงานประจำ
คำถามหนึ่งที่สังคมยังคับข้องใจก็คือ ถ้า FCC-ee เดินเครื่องแล้ว กลับไม่พบอนุภาคอะไรเลย ใครจะเป็นคนรับผิดชอบเรื่อง เงิน เวลา และความรู้สึกที่เสียไป
สำหรับคนที่มองโลกในแง่สวย ก็คิดว่าคงไม่เป็นไร เพราะเราจะได้รู้ว่า เอกภพไม่มีอนุภาคที่ได้คาดหวัง และเราคงต้องสร้างเครื่องเร่งใหม่ให้มีพลังงานมากขึ้นไปอีก เพื่อจะได้พบให้จงได้
แต่คนที่มองโลกแง่ร้าย ก็คงสรุปว่า ให้วิจัยทำเรื่องอื่นที่มีประโยชน์โดยตรงต่อสังคม และคงจะคิดว่า ให้หยุดคิดเรื่องนี้เสียที
เมื่อ CERN กำลังจะก้าวจาก LHC เข้าสู่ยุคใหม่ เป็น FCC Herwig Schopper ซึ่งเคยเป็นผู้อำนวยการของ CERN ในช่วงปี 1981-1988 ได้กล่าวถึงความสำเร็จและความสำคัญขององค์การนี้ ตลอดเวลาที่ผ่านมาว่า ได้พบอนุภาค W boson กับ Z boson ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อที่ใช้ในอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน และมีบทบาทในการทำให้ดวงอาทิตย์ส่องแสง ผลงานนี้ได้ทำให้ Carlo Rubbia กับ Simon van der Meer ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1954 และล่าสุดก็คือ ผลงานการพบอนุภาค Higgs boson ในเครื่องเร่ง LHC ซึ่งได้ทำให้ Peter Higgs กับ Francois Englert ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2013
สำหรับประเด็นเรื่องประโยชน์ของ CERN ที่มีต่อสังคมก็คือ นักวิจัยที่ CERN ได้สร้างเทคโนโลยี WWW ขึ้นเพื่อช่วยในการสื่อสารระหว่างนักฟิสิกส์ โดยบุคคลผู้นั้น คือ Tim Berners-Lee เมื่อปี 1980 แต่เมื่อสิ่งประดิษฐ์ของเขาถูกปฏิเสธการจดลิขสิทธิ์ Berners-Lee จึงนำสิ่งประดิษฐ์ไปอเมริกา แล้วระบบ internet ก็บังเกิด Schopper ยังคิดอีกว่า องค์ความรู้ต่าง ๆ ที่ CERN พบ จะเข้าไปอยู่ในตำราฟิสิกส์ และนั่นก็คือ ผลกระทบโดยตรงของ CERN ที่มีต่อวงการวิชาการ
แต่สิ่งที่ Schopper คิดว่า CERN ได้ทำก็คือการสนับสนุนให้มีการสร้างสันติภาพด้วยวิทยาศาสตร์ นั่นคือการสร้างห้องปฏิบัติการ SESAME ที่ประเทศ Jordan (คำ SESAME มาจากคำเต็มว่า Synchrotron Light for Experimental Science and Applications in the Middle East มิใช่เป็นคาถาที่มีคนรู้อยู่คนเดียวเพื่อใช้เปิดประตูในเทพนิยายหนึ่งพันหนึ่งราตรี) และโครงการนี้มีสมาชิกร่วม 8 ประเทศคือ Jordan Cyprus, Egypt, Turkey, Pakistan, Iran, Israel, Palestinian Authority ซึ่ง 3 ประเทศหลังนี้มิได้เป็นมิตรกัน แต่มาทำงานวิจัยฟิสิกส์ร่วมกัน
การเป็นผู้อำนวยการของ CERN ทำให้ Schopper ได้มีโอกาสพบปะกับผู้นำทางศาสนา และการเมือง มากมายหลายคน เช่น สันตะปาปา John Paul ที่ 2 และ Margaret Thatcher ซึ่งเป็นนายกรัฐมนตรีอังกฤษ ที่ได้ขอร้องให้ Schopper รายงานให้เธอทราบข่าวการพบอนุภาค W และ Z bosons ในทันที ก่อนที่เขาจะออกแถลงการณ์ทางสื่อมวลชน เพราะเธอในฐานะที่เป็นนักวิทยาศาสตร์คนหนึ่ง ต้องการจะได้ข่าวนี้จากปาก Schopper โดยตรง
อ่านเพิ่มเติมจาก “There may be no dark matter in our universe after all โดย R. P Gupta ใน The Astrophysical Journal Letters ปี 2024, 964(1)”
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
![“ผมโคตรภูมิใจ รางวัลทั้งชีวิต ไม่เท่ารางวัลชีวิตนี้” เบื้องหลังแม่ทัพผู้สร้างแบรนด์ “ชัชชาติ” [มีคลิป]](https://mpics.mgronline.com/pics/Images/resize/184x104/565000006621801.JPEG)
