มารู้จักกับ Large Hadron Collider (LHC)

มารู้จักกับ Large Hadron Collider (LHC)

ย้อนกลับมาดูที่ชื่อของ Large Hadron Collider คำว่า Large บอกถึงขนาดที่ใหญ่ของ LHC และ Collider แปลว่าเครื่องที่นำลำอนุภาคสองลำมาเร่งความเร็วเข้าชนกัน คล้าย ๆ รถสองคันวิ่งมาชนกัน ไม่ใช่ว่ามีรถหนึ่งคันจอดอยู่เฉย ๆ ถ้าเป็นกรณีนี้จะเรียกว่า Fixed-target

          คำว่า Hadron หรือ แฮดรอน หมายถึง อนุภาคที่สร้างขึ้นจากควาร์ก (quarks) ซึ่งเป็นอนุภาคซึ่งในปัจจุบันจัดให้เป็นอนุภาคมูลฐานซึ่งไม่อาจถูกแบ่งได้อีก ตัวอย่างของแฮดรอน ก็คือโปรตอน และ นิวตรอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสในอะตอมนั่นเอง

          ปัจจุบันฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่มีการพัฒนาอยู่เรื่อย ๆ ธรรมชาติยังคงทดสอบสติปัญญาของมนุษย์อยู่ตลอดเวลา นักวิทยาศาสตร์ต้องหาวิธีใหม่ ๆ เพื่อที่จะเข้าใจธรรมชาติมากขึ้น โดยเริ่มตั้งแต่เมื่อ 100 กว่าปีที่แล้วที่ J.J. Thomson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษค้นพบอิเล็กตรอนจากหลอดรังสีแคโทดของเขา ทั้งที่อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากจนตามนุษย์มองไม่เห็น

          การทดลองที่ LHC ครั้งนี้ มีจุดประสงค์ที่จะตอบบางคำถามที่ยังเหลืออยู่ โดยเน้นเพื่อศึกษาสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการชนกัน เพื่อพิสูจน์ทฤษฏีปัจจุบันต่าง ๆ ที่เรามีอยู่เกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน โดยเฉพาะทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) สำหรับในการชนกันของตะกั่วนั้น เราต้องการที่จะสร้างและศึกษาสภาวะที่เรียกว่า พลาสมาของควาร์ก-กลูออน (quark gluon plasma, QGP) ฟิสิกส์ของ RHI เป็นสาขาหนึ่งของนิวเคลียร์ฟิสิกส์ ซึ่งศึกษาสสารนิวเคลียร์ในสภาวะที่พลังงานและความหนาแน่นสูงมาก ๆ สภาวะ QGP นี้ ไม่มีอยู่ในธรรมชาติบนโลก และได้รับการศึกษาอย่างจริงจังที่ Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ในสหรัฐอเมริกา LHC ก็จะสานต่อการวิจัยนี้ต่อไป

        QGP คือ สภาวะอิสระของควาร์ก-กลูออน ซึ่งเรียกเป็นคำเฉพาะว่า deconfinement ในสภาวะปกติ ควาร์ก และ กลูออน ไม่เคยถูกตรวจพบโดยตัวมันเองเดี่ยว ๆ ควาร์กจะอยู่ภายในของอนุภาคแฮดรอนเสมอ ส่วนกลูออนนั้น ก็อยู่ภายใน แฮดรอนเช่นกันและทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแรงระหว่างควาร์ก (คล้ายกับที่โฟตอนเป็นตัวกลางของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ระหว่างอนุภาคที่มีประจุ)

          ควาร์กมีความแตกต่างกับอนุภาคมูลฐานอย่างอิเล็กตรอนในด้านประจุไฟฟ้า โดยควาร์กแต่ละอนุภาค มีประจุเป็นเศษส่วน (1/3 and 2/3) ยังไม่เคยมีใครพบอนุภาคที่มีประจุแบบนั้นเลยในการทดลอง ส่วนกลูออนนั้นเป็นกลางและไร้มวล อนุภาคแฮดรอนนั้นแบ่งได้เป็นสองประเภท คือ แบริออน (baryons) กับ มีซอน (mesons) ข้อแตกต่างอยู่ที่เลขควอนตัมที่เรียกว่า สปิน (spin) แบริออนเป็นอนุภาคประเภทเฟร์มิออน (fermions) ซึ่งนับถือหลักการกีดกันเพาลี (Pauli Exclusion Principle) คือ ไม่สามารถอยู่ร่วมสถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกันได้ แบริออนประกอบไปด้วยควาร์ก 3 อนุภาค ทั้งโปรตอน และ นิวตรอน ซึ่งเป็นสมาชิกของนิวเคลียสนั้นก็เป็นแบริออนด้วยกันทั้งคู่ (เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดด้วย) มีซอนเป็นกลุ่มหนึ่งของอนุภาคที่เรียกว่าโบซอน ซึ่งพวกนี้สามารถร่วมชั้นพลังงานกันได้ไม่จำกัด มีซอนอนุภาคหนึ่งมี ควาร์กหนึ่งอนุภาคและแอนติควาร์ก (antiquark) หนึ่งอนุภาค ไพออน (pion) เป็นมีซอนที่เล็กที่สุด


 
ภาพถ่ายทางอากาศของที่ตั้งของ LHC (CERN)


เกี่ยวกับ LHC

          LHC ตั้งอยู่ที่ CERN (เป็นตัวย่อจากภาษาฝรั่งเศส ซึ่งแปลว่า Center of European Nuclear Research) ในบริเวณชายแดนของสวิตเซอร์แลนด์กับฝรั่งเศส โดย CERN เป็นศูนย์กลางและศูนย์รวมของการวิจัยทางฟิสิกส์ของยุโรป มีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ต่าง ๆ มากมายที่ CERN ซึ่งหลายเรื่องได้รับรางวัลโนเบล โดยเครื่อง LHC นี้ เป็นสิ่งจุดประกายให้นักเขียนชาวอเมริกัน แดน บราวน์ (Dan Brown) นำไปเขียนนวนิยายเรื่อง Angels and Demons โด่งดังไปทั่วโลก LHC เป็นการทดลองในขนาดใหญ่ และมีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งส่วนใหญ่มาจากแม่เหล็กจำนวนมาก ที่ใช้ในการปรับทิศทางอนุภาคให้เคลื่อนไปในเส้นทางที่ต้องการ การที่ LHC ถูกสร้างขึ้นได้นั้นเป็นวิศวกรรมที่น่าทึ่งที่สุดอย่างหนึ่งของมนุษยชาติ และเป็นการแสดงถึงความร่วมมือกันของนานาชาติอันยิ่งใหญ่มาก

          โฆษกของ CERN เจมส์ กิลลีส์ (James Gillies) ได้แจ้งว่าการชนการของลำโปรตอน จะเริ่มภายในครึ่งเดือนแรกของเดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2008 โดยแม้ว่าจะเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักวิจัย แต่คนส่วนใหญ่ซึ่งไม่คุ้นเคยกับการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง อาจไม่เข้าใจว่ามันเป็นสิ่งใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์ทดลอง โดยไม่แน่ใจว่าจะเกิดอะไรขึ้น ทำให้เกรงกลัวกับผลที่จะตามมา โดยเฉพาะการทดลองในขนาดใหญ่ขนาดนี้ ยิ่งทำให้กลัว โดยในช่วงปีที่ผ่านมา LHC ได้ตกเป็นข่าวใหญ่ เมื่อมีการฟ้องร้อง CERN จากผู้ที่กลัวว่า LHC จะทำให้เกิดอันตราย ด้วยพลังงานที่สูงนี้จะทำให้เกิดหลุมดำขนาดเล็ก (mini black holes) และปรากฏการณ์อื่น ๆ ซึ่งทำนายไม่ได้ ซึ่งอาจจะทำให้โลกถูกทำลายลง

          แต่การทดลองใด ๆ จะพูดกันตรง ๆ แล้วนั้น ไม่มีใครรู้ว่าผลจะเป็นเช่นไร มีเพียงสมมติฐาน (hypothesis) เพราะหากเรารู้ทุกอย่าง ก็คงไม่ต้องทำการทดลอง ไม่ต้องมีการวิจัย และก็จะไม่มีความรู้อะไรใหม่ และในความเป็นจริงแล้ว การทดลอง LHC นี้ไม่ใช่สิ่งใหม่ในแง่ของเทคนิค ที่ RHIC นั้น ซึ่งตั้งอยู่ใน Brookhaven Lab ในรัฐนิวยอร์ก นักวิทยาศาสตร์ได้มีเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งมีรูปลักษณ์คล้ายกับ LHC คือเป็นท่อต่อกันเป็นวงกลม สร้างอยู่ใต้ดิน และมีอนุภาคมาชนกัน โดยในปี ค.ศ. 1999 ก่อนที่ RHIC จะเริ่มทำการ ก็มีการฟ้องร้องไม่ให้ RHIC เปิดเครื่อง แต่จนทุกวันนี้ RHIC ได้ให้ข้อมูลที่น่าสนใจมาให้นักวิทยาศาสตร์และนักศึกษาวิเคราะห์ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2000 อย่างไม่มีอันตรายใด ๆ

         RHIC มีความยาวรอบวง 3.8 กิโลเมตร (LHC มีเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร) โดยทำให้ไอออนถูกเพิ่มความเร็วในเครื่องเร่งอนุภาค สู่ความเร็วที่เข้าใกล้ความเร็วแสง โดยใช้ทฤษฏีของเครื่องซิงโครทรอน ไอออนเหล่านี้ถูกนำมาพุ่งชนกัน ผลก็คือ สสารนิวเคลียร์ที่ร้อนระอุและหนาแน่นอย่างยิ่ง ที่ RHIC นั้นมีการนำโปรตอนมาชนกันที่พลังงาน 200 GeV (ประมาณ 1/70 เท่าของพลังงานที่ LHC) โดยการทดลอง CMS และ ATLAS จะเป็นการทดลองใหญ่ 2 การทดลองที่เน้นด้านการชนกันของโปรตอน ส่วนไอออนหนักอย่างทองคำ (Au, ประจุ 79) นั้นก็เปรียบเหมือนกับไอออนตะกั่ว (Pb, 82) ที่จะใช้ที่ LHC โดยมีการทดลอง ALICE เป็นการทดลองหลักในการศึกษาการชนกันของตะกั่วนี้

          การจะทำให้เกิดพลาสมาของควาร์ก-กลูออนนั้น เราต้องการให้มีความหนาแน่นของนิวคลีออนเริ่มต้นมากพอ ที่จะสร้างสสารที่แน่นและเป็นสื่อ (medium) ซึ่งประกอบไปด้วยควาร์ก และ กลูออน ที่เป็นอิสระ (deconfined) หลังจากการชนกัน สภาวะของควาร์ก-กลูออนเช่นนี้ไม่มีอยู่ในโลกปัจจุบัน แต่ตามทฤษฎีนั้น ได้เกิดขึ้นในจักรวาล หลังจากที่ Big Bang ได้จบลงไปหมาด ๆ

          ขนาดของลำอนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาค LHC นั้นมีขนาดเล็กเป็นเส้นผม โดยประมาณ โปรตอนหนึ่งแสนล้านอนุภาคจะถูกบีบอัดเข้าในลำอนุภาคขนาด 16 ไมครอน (1/5 ของความกว้างของเส้นผมคน) ลำอนุภาคนี้จะมาไขว้กัน 40 ล้านครั้งต่อวินาที โดยจะมีการชนกันของโปรตอนประมาณ 20 ครั้งต่อแต่ละการไขว้ของลำอนุภาค พลังงานจากการชนเหล่านี้มีค่าสูง แต่พลังงานที่เกิดขึ้นมีอายุขัยเพียงเสี้ยววินาที ไม่เหมือนกับหลุมดำในอวกาศ ซึ่งเกิดจากการบีบอัดตัวเอง (collapse) ของดวงดาวที่หมดอายุขัย ซึ่งหลุมดำเหล่านี้มีขนาดใหญ่ มวลมาก (เท่ากับมวลของดาวฤกษ์เป็นสิบหรือร้อยดวง) และมีความเสถียรสูง (ความเสถียรของหลุมดำ จะลดลงตามขนาดของหลุมดำนั้น) LHC ซึ่งนำอนุภาคที่เล็กมากอย่างโปรตอนมาชนกันนั้น ไม่สามารถจะสร้างหลุมดำในระดับดวงดาวนั้นได้ หลุมดำที่อาจจะเกิดใน LHC จะมีมวลในระดับของยุงตัวหนึ่งเท่านั้น รายละเอียดที่ลึกลงกว่านี้เกี่ยวกับความปลอดภัยของ LHC ในแง่ของหลุมดำ อาจศึกษาได้จากรายงาน [Koch2008]

          นอกจากนี้ เมื่อพูดถึงพลังงานที่สูงของอนุภาคที่ LHC จะใช้ทดลอง อนุภาคพลังงานสูงจากนอกโลก (รังสีคอสมิก: cosmic rays) ซึ่งเกิดขึ้นโดยธรรมชาติมีพลังงานสูงยิ่งกว่า และชนกับชั้นบรรยากาศโลกตลอดเวลา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้มีการวัดพลังงานของรังสีคอสมิกเหล่านี้มาเกินกว่า 70 ปี โดยการทดลองในนิวเม็กซิโกเมื่อ ค.ศ. 1962 ได้แสดงให้เห็นว่าบางอนุภาคมีพลังงานสูงถึงระดับ 10^{20} eV ทีเดียว [Linsley1963] ซึ่งสูงกว่าพลังงานของโปรตอนใน Large Hadron Collider ราวสิบกว่าล้านเท่า และหลังจากการทดลองนั้น ก็ได้มีการตรวจวัดพบอนุภาคจากอวกาศซึ่งมีพลังงานสูงยิ่งกว่านั้นอีก อนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่อยู่ในอวกาศ ชนกันมามากกว่าพันล้านปี แต่ก็ไม่มีหลักฐานว่าเกิดอุบัติการณ์หลุมดำทำลายล้างดวงดาวหรือระบบกาแล็กซี่แต่อย่างใด

ข้อมูลจาก คุณ รพพน พิชา
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
http://www.tint.or.th/nkc/nkc51/nkc5104/nkc5104f.html