LHC เครื่องเร่งอนุภาคสะท้านโลก

first released : Apr 14, 2009

       คงไม่ล้าช้าเกินไปถ้าจะกล่าวถึงข่าวใหญ่ทางวิทยาศาสตร์ที่ทุกประเทศทั่วโลกให้ความสนใจ และตื่นเต้นกันถ้วนหน้า ข่าวนั้นก็คือการทดสอบปล่อยอนุภาคโปรตอนเข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ( Large Hadorn Collider หรือ เรียกสั้น ๆ ว่า LHC) ของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป (European Center Nuclear Research, CERN (เซิร์น) ) เพื่อดูว่าโปรตอนนี้สามารถวิ่งได้ครบรอบอย่างไม่มีปัญหาหรือไม่ เพื่อเตรียมความพร้อมก่อนที่จะทดลองให้อนุภาคนี้เกิดการชนกัน การทดสอบเริ่มขึ้นเมื่อเวลา 9.35 น. (ตรงกับเวลา 14.35 น. ของประเทศไทย) ของวันที่ 10 กันยายน 2551 เรียกวันนี้ว่าเป็นวัน LHC First Beam Day ข่าวการทดสอบนี้ ทำให้วารสารไทม์ จัดให้เป็นข่าวอันดับหนึ่งในสิบข่าวเด่นทางด้านวิทยาศาสตร์ของปี 2008 เลยทีเดียว ผลการทดสอบเป็นอย่างไร ผู้ที่ติดตามคงทราบกันถ้วนหน้าแล้วนะครับ ถ้ายังไม่ทราบก็จะบอกไว้ท้ายบทความนี้

ทำไมนักวิทยาศาสตร์จะต้องทุ่มทุนมหาศาลสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ว่านี้ด้วย มันคืออะไร ทำงานอย่างไร จะได้ประโยชน์อะไร หลังที่ทำให้อนุภาคโปรตอนชนกัน

อันที่จริงทุกคนต่างก็คุ้นเคยกับเครื่องเร่งอนุภาคอยู่แล้วโดยที่เราไม่รู้ตัว หลอดภาพในเครื่องรับโทรทัศน์ที่เป็นจอแก้ว จัดเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบหนึ่ง อิเล็กตรอนจากถูกปล่อยขั้วลบของหลอดภาพถูกเร่งด้วยสนามแม่เหล็ก จนอิเล็กตรอนมีความเร็วพอที่วิ่งมาตกกระทบกับสารเรืองแสงบนจอภาพทำให้เรามองเห็นภาพต่าง ๆ บนจอโทรทัศน์ พลังงานของอิเล็กตรอนของหลอดภาพมีขนาดประมาณ 10 – 50 keV (อ่านว่า กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ เป็นหน่วยวัดพลังงาน ซึ่งนิยมใช้กับปรากฏการณ์ที่มีขนาดเล็กมาก โดยที่ 1 eV มีค่าเท่ากับ จูล) เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้ในการทดลองทางฟิสิกส์ จะสร้างเป็นแบบให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลม ต่างจากอิเลกตรอนในหลอดภาพโทรทัศน์ซึ่งถูกเร่งให้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ซึ่งทำให้สามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงกว่า สูญเสียพลังงานน้อยกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า โดยคิดในกรณีที่เครื่องเร่งอนุภาคทั้งสองแบบมีขนาดเท่า ๆ กัน cc

ในประเทศไทยเราก็มีเครื่องเร่งอนุภาคใช้งานเหมือนกัน คือ เครื่องกำเนิดแสงสยาม อยู่ที่ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จังหวัดนครราชสีมา ได้ใช้ประโยชน์เครื่องเร่งอนุภาคนี้ให้กำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีเอ็กซ์ จากนั้นนำรังสีเอ็กซ์นี้ไปศึกษาโครงสร้างต่าง ๆ ในงานวัสดุศาสตร์ได้ ใช้ในการตรวจสอบวัสดุโดยไม่ต้องทำลายชิ้นวัสดุนั้น ใช้ในการค้นคว้าด้านชีววิทยาระดับโมเลกุล เช่นศึกษาโครงสร้างของไวรัส และยังใช้ในงานวิจัยทางด้านธรณีวิทยา

 

เครื่อง LHC ที่สร้างขึ้นมานี้สามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานถึงระดับ eV หรือ TeV (อ่านว่า เทราอิเล็กตรอนโวลต์ หรือ ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งไม่มีเครื่องเร่งอนุภาคเครื่องใดในโลกนี้ทำได้มาก่อน พลังงานของอนุภาคที่ได้นี้มีค่าเป็น 10 เท่าของเครื่องเร่งอนุภาคเทวาตรอน ( Tevatron) ซึ่งมีความยาวของเส้นรอบวง 6.7 กิโลเมตร ของห้องปฏิบัติการเฟอร์มิแล็บ ( Fermilab) ที่ชิคาโก ในสหรัฐ ซึ่งปัจจุบันถูกลดอันดับตกลงไปอยู่เป็นอันดับสอง

        โครงการเครื่องเร่งอนุภาค LHC นี้อยู่ระหว่างชายแดนของประเทศฝรั่งเศส และสวิสเซอร์แลนด์ สร้างโดยความร่วมมือของประเทศในยุโรป 20 ประเทศที่เป็นสมาชิกเซิร์นร่วมลงขันกัน และมีประเทศผู้ร่วมสังเกตการณ์อื่น ๆ ได้แก่ สหรัฐ ญี่ปุ่น รัสเซีย แคนาดา และจีน มีนักวิจัยจาก 80 ประเทศทั่วโลก รวมถึงนักวิจัยอีกกว่า 1,200 คนในสหรัฐ ร่วมกันทำงานวิจัยกับเครื่องเร่งอนุภาคนี้ การก่อสร้างเริ่มขึ้นในปี 2544 เสร็จเรียบร้อยในปี 2548 ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างทั้งสิ้น 6 พันล้านฟรังค์สวิส (ประมาณ 14,000 ล้านบาท)


รูปที่ 1 แสดงตำแหน่งของโครงการ LHC

เครื่อง LHC นี้มีท่อสำหรับใช้เร่งอนุภาคเป็นแบบวงกลม (ดูรูปที่ 2 ประกอบ ตรงตำแหน่งหมายเลข 1) มีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร ( 16.8 ไมล์) อยู่ลึกลงไปใต้ดินโดยเฉลี่ย 100 เมตร ( 328 ฟุต)

 

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบของ LHC

การเร่งอนุภาคนี้อาศัยสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแท่งแม่เหล็กจำนวน 9600 แท่ง แม่เหล็กเหล่านี้ที่อยู่ในสถานะตัวนำยวดยิ่ง ที่สถานะนี้ความต้านทานทางไฟฟ้าจะไม่มีหลงเหลืออยู่เลย แม่เหล็กเหล่านี้จึงต้องอยู่ในอุณหภูมิที่เย็นจัดถึง 1.9 เคลวิน หรือ -271.25 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นยะเยือกกว่าห้วงอวกาศนอกโลกเสียอีก การทำให้อุณหภูมิเย็นลงขนาดนี้ได้ ต้องใช้ไนโตรเจนเหลวจำนวน 10,800 ตัน และฮีเลียมเหลวอีก 60 ตัน ภายในท่อนี้จะเป็นสุญญากาศ ขนาดที่เรียกว่า "ultra-high vacuum." เพราะโมเลกุลของแก๊สถึงแม้จะหลงเหลืออยู่เพียงโมเลกุลเดียว และถ้าโปรตอนมาชนโมเลกุลนี้ก่อนที่จะชนกับโปรตอนด้วยกัน ก็จะทำให้การทดลองนี้ผิดพลาดล้มเหลวได้ ความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ได้ทำให้สามารถเร่งโปรตอนให้มีความเร็วถึง 99.99975 % ของความเร็วแสง พลังงานของโปรตอนจึงมีค่ามากถึงระดับเทราอิเล็กตรอนโวลต์

ตำแหน่งที่เขียนด้วยเลข 2 ถึงเลข 5 รอบ ๆ ท่อวงกลมนี้จะเป็นสถานีซึ่งเป็นตำแหน่งที่กำหนดให้เกิดการชนกันของอนุภาค จะมีเครื่องมือตรวจวัดอนุภาคแบบต่าง ๆ ที่เกิดจากการชน เรียงรายอยู่รอบ ๆ ท่อวงกลม มีการเชื่อมต่อข้อมูลต่าง ๆ ที่รวบรวมได้จากการชนส่งขึ้นไปยังสถานีที่ตั้งอยู่เหนือขึ้นไปบนพื้นดิน เพื่อนำไปวิเคราะห์ในการทำการวิจัย นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่อยู่บนพื้นดินสามารถลงไปยังชั้นใต้ดินโดยใช้ลิฟต์และบันได สามารถซ่อมบำรุงอุปกรณ์ต่าง ๆ ในอุโมงค์ใต้ดินได้โดยรอบอย่างสะดวก ดังรูปที่ 3

 

รูปที่ 3 แสดงบางส่วนของอุโมงค์ใต้ดิน

รูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึงสถานีหมายเลข 4 ที่เรียกว่า ATLAS เทียบขนาดกับคนที่ยืนอยู่ตรงกลาง

 

แต่ละสถานีตรวจวัดล้วนมีขนาดมหึมา ตัวอย่างเช่นสถานีหมายเลข 4 ในรูปที่ 2 ทีเรียกว่า ATLAS- A T oroidal L HC A pparatu s มีการออกแบบติดตั้งให้แม่เหล็กมีลักษณะเรียงรายเป็นวงกลมคล้ายวงแหวนที่เรียกว่าทอรอยด์ มีความสูงถึง 25 เมตร(ลองคิดเทียบกับตึกคณะวิทย์ของเราสูงประมาณ 27 เมตร) ยาว 45 เมตร มีน้ำหนักทั้งสิ้น 7 พันตัน

จำนวนเซนเซอร์ที่ใช้ติดตั้งทุกสถานีรวมกันแล้วถึง 150 ล้านชิ้น เซนเซอร์เหล่านี้จะรวบรวมข้อมูลที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลองประมาณ 700 เมกกะไบต์ ต่อวินาที (MB/s) ถ้าคิดเป็นจำนวนข้อมูลที่ได้ทั้งปีคือ 15 เพตะไบต์ (petaByte = Byte) หรือ 1 ล้านกิกะไบต์ ถ้าเก็บข้อมูลเหล่านี้ลงในแผ่นดีวีดี (DVD) จะต้องใช้ถึง 1 แสนแผ่น คงไม่มีคอมพิวเตอร์เครื่องไหนรองรับข้อมูลมหาศาลนี้ได้หมดแน่ ดังนั้นคอมพิวเตอร์ทั้งหลายจึงถูกนำมาเชื่อมต่อกันเป็นระบบเครือข่าย ที่เรียกว่า grid เพื่อเพิ่มขีดความสามารถและช่วยกันประมวลผลข้อมูลที่รวบรวมได้ระหว่างการทดลอง ดังรูปที่ 5 พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการเดินเครื่อง LHC เซิร์นได้ประมาณไว้ทั้งปีที่ 800 ล้านหน่วย คิดเป็น 30 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

 

รูปที่ 5 ระบบคอมพิวเตอร์ภายในองค์การ CERN จำนวนหลายพันเชื่อมต่อกันแบบกริด เพื่อเพิ่มศักยภาพในการประมวลข้อมูลที่ได้มาจากการทดลอง

 

คงมองพอมองเห็นถึงความอลังการณ์ของเครื่อง เร่งอนุภาค LHC แล้วนะครับ ประโยชน์ของมันก็คือใช้เร่งอนุภาคในที่นี้คือโปรตอน ให้มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง แล้วให้อนุภาคเหล่านั้นชนกัน แล้วใช้เครื่องมือตรวจวัดที่มีอยู่เก็บรวบรวมข้อมูลที่เกิดขึ้นระหว่างการชนและหลังการชนเพื่อนำมาศึกษาและวิเคราะห์ต่อไป แล้วนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะรู้อะไรหลังจากที่มันชนกัน

คงต้องย้อนกลับไปทวบทวนความรู้ในระดับมัธยม เราเคยเรียนมาว่า อะตอมเป็นส่วนประกอบของสสารที่เล็กที่สุด ต่อมานักวิทยาศาสตร์ก็พบว่ายังไม่ถูกต้อง อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่า โปรตอน และนิวตรอน รวมกันอยู่ในนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอน อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส อนุภาคเหล่านี้จัดว่าเล็กที่สุดแล้วใช่ไหม คำตอบก็ไม่ใช่อีก อนุภาคเหล่านี้ยังประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ อีกที่เรียกว่า ควาร์ก ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงองค์ประกอบของสสาร

ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ถือว่าควาร์กเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่ยอมรับกันอยู่ในตอนนี้ ควาร์กมีประจุแต่ไม่ใช่บวกหรือลบแต่จะเป็น “ สี (color) ” มีอยู่ 3 สี คือ แดง เขียว และน้ำเงิน (คำว่า “ สี ” ในที่นี้เป็นคำพ้อง นักวิทยาศาสตร์ขอยืมคำนี้ใช้เปรียบเทียบในลักษณะเชิงปรัชญา จริง ๆ แล้วควาร์กไม่ได้มีสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินเหมือนดังที่เราเห็นแสงสีในชีวิตประจำวันแต่อย่างใด) เมื่อสีทั้งสามรวมกันจะกลายเป็นกลางหรือไม่มีสี คล้าย ๆ กับวัตถุใดที่มีประจุบวกและลบขนาดเท่ากันอยู่ด้วยกัน จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ปกติเราจะไม่พบควาร์กแยกเป็นสีอย่างอิสระ เนื่องจากมีอนุภาคกลูออน( gluon ) ทำหน้าที่เสมือนเป็นกาว (glue) ยึดควาร์กเข้าไว้ด้วยกันเป็นแรงที่เรียกว่าแรงแบบแข็ง ( strong interaction หนังสือไทยบางเล่มก็แปลว่าเป็นแรงแบบเข้ม ) ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์แบ่งชนิดของควาร์กตามคุณสมบัติของมันพบว่ามีอยู่ 6 ชนิดคือ up, down, strange, charm, top และ bottom อนุภาคอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็น โปรตอน นิวตรอน หรืออิเล็กตรอน เกิดจากควาร์กเหล่านี้มารวมตัวกันอย่างเหนียวแน่น เช่น นิวตรอน เกิดจากการรวมของควาร์ก ชนิด top 1 ตัว และชนิด down 2 ตัว เราเรียกควาร์กทั้งหกชนิดนี้ว่าเป็นอนุภาคของสสาร (particle of matter) อนุภาคที่เกิดจากการรวมของควาร์ก โดยมีแรงแบบแข็งเป็นแรงยึดเหนี่ยว เช่น โปรตอน และนิวตรอน นักฟิสิกส์จะเรียกชื่อรวม ๆ ของอนุภาคเหล่านี้ว่า Hadron คุณสมบัติโดยย่อของควาร์กแต่ละชนิดสรุปไว้ในรูปที่ 7

รูปที่ 7 แสดงคุณสมบัติของควาร์กทั้ง 6 ชนิด

 

ในปรากฏการณ์ระดับที่เล็กกว่าระดับอะตอม (นักฟิสิกส์จะเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าเป็นปรากฏการณ์ระดับควอนตัม) จะมองรูปแบบการส่งแรงกระทำของแรงต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นแรงดึงดูดระหว่างมวล แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงแบบแข็ง และแรงแบบอ่อน แตกต่างไปจากที่เราเคยเรียนในวิชาฟิสิกส์ในห้องเรียน อย่างเช่นเราเคยเรียนว่ามวลของโลกจะส่งแรงกระทำกับวัตถุที่อยู่บนโลก เราสามารถหาขนาดของแรงในรูปของปริมาณที่เรียกว่าน้ำหนักของวัตถุนั้น เราจะเขียนการกระทำของแรงด้วยเส้นสนามของแรง เช่นสนามโน้มถ่วงของโลก g = 9.8 จะเขียนแทนด้วยเส้นตรงที่มีหัวลูกศรชี้ไปยังจุดศูนย์กลางของโลก แต่ที่ระดับควอนตัมนี้ นักฟิสิกส์จะมองว่าการกระทำของแรงที่เกิดขึ้นเกิดจากการส่งอนุภาคสนาม ( Field particle or Particles of Force ) เรียกรวม ๆ ว่า โบซอน (boson) ให้แก่กันและกัน เช่นประจุไฟฟ้าบวกและลบออกแรงดึงดูดกัน เกิดจากการที่ประจุทั้งสองต่างก็ส่งอนุภาคสนามที่เรียกว่า โฟตอน (Photon) ให้แก่กันและกัน อนุภาคสนามของแรงแต่ละแบบสรุปไว้ในรูปที่ 8

ในรูปที่ 8 นี้ไม่ได้รวม graviton ซึ่งเป็นอนุภาคสนามของแรงดึงดูดระหว่างมวลใส่ไว้ด้วย เพราะแรงดึงดูดระหว่างมวลมีขนาดน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงแบบแข็งหรือแรงแบบอ่อน ที่ระดับควอนตัมหรือที่ระยะพิสัยสั้น ๆ จึงตัดแรงนี้ทิ้งไป

สังเกตที่ช่องล่างสุดสีขาวล้อมกรอบด้วยเส้นประนะครับตรงช่องนี้คืออนุภาคสนามที่ขนานนามว่า Higg อนุภาคฮิกก์นี้แหละครับ ที่นักฟิสิกส์คาดว่าน่าจะได้พบตัวของมันจากการชนกันของโปรตอนที่ระดับพลังงานสูงภายในเครื่อง LHC นี้ นักฟิสิกส์พยายามจะอธิบายการเกิดของมวลสารและอนุภาคต่าง ๆ ที่เราเห็นอยู่รอบ ๆ ตัวว่ามีความเป็นมาอย่างไร ตัวเราเองประกอบด้วย เส้นผม เล็บ ฟัน ผิวหนัง ฯ รอบตัวมีทั้งโต๊ะ เก้าอี้ ก้อนอิฐ มีทั้งสิ่งมีชีวิต และไม่มีชีวิต เมื่อพิจารณาลงไปในรายละเอียดและถอยหลังเวลาย้อนอดีตไปเรื่อย ๆ จนถึงจุดเริ่มต้นกำเนิดจักรวาลตามทฤษฎีของการระเบิดครั้งใหญ่ ( Big Bang) มวลสาร พลังงาน แรงพื้นฐานทางธรรมชาติ (ได้แก่ แรงดึงดูดระหว่างมวล แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงแบบแข็ง และแรงแบบอ่อน) เหล่านี้รวมกันอยู่อย่างไร เมื่อเวลาผ่านไปมีการเปลี่ยนแปลงเป็นลำดับอย่างไร นักฟิสิกส์จึงตั้งทฤษฎีขึ้นมาทฤษฎีหนึ่งเรียกว่า ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงของมวลและพลังงาน รวมทั้งการแตกแขนงออกไปของแรงพื้นฐานต่าง ๆ เพราะนักฟิสิกส์มั่นใจว่าแรกเริ่มก่อนกำเนิดจักรวาลนั้นแรงทั้งสี่นี้รวมกันเหลือเป็นแรงเพียงแรงเดียว มวลและพลังงานนั้นเป็นสิ่งเดียวกัน ไม่แยกว่าอันนี้คือมวล อันนี้คือพลังงาน

รูปที่ 8 แสดงอนุภาคโบซอน  

อย่างไรก็ตามทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานที่นักฟิสิกส์ตั้งขึ้นมา ก็ยังไม่ครบถ้วนสมบูรณ์ ไม่สามารถตอบคำถามพื้น ๆ บางคำถามได้ เช่น ทำไมโปรตอนกับอิเล็กตรอนจึงมีประจุเท่ากัน ทั้ง ๆ ที่มวลของอนุภาคทั้งสองมีขนาดต่างกันมาก (โปรตอนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1000 เท่า) ทำไมอนุภาคบางชนิดมีมวล บางชนิดไม่มีมวล เช่นนิวตริโน (neutrino) โฟตอน (photon) มวลของมันมีค่าเป็นศูนย์

อนุภาคฮิกก์เป็นส่วนที่ยังค้นไม่พบ ตามทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคฮิกก์นี้ทำให้เราสามารถอธิบายได้ว่าอะไรทำให้เกิดอนุภาคต่าง ๆ หรือทำให้มีมวล หรือทำให้มีตัวเรา ขึ้นมาในจักรวาลนี้ การรู้จักอนุภาคฮิกก์เท่ากับเรารู้วิธีที่พระเจ้าสร้างโลกนั่นเอง ดังนั้นอนุภาคฮิกก์จึงถูกขนานนามอีกอย่างหนึ่ง อนุภาคพระเจ้า (God particle)

เมื่อปีพ.ศ. 2507 ปีเตอร์ ฮิกก์ (Peter W. Higg) ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเอดินเบิร์ก (University of Edinburg) ประเทศอังกฤษ ได้เสนออนุภาคซึ่งเป็นตัวการทำให้เกิดมวลสารในจักรวาลนี้เสริมเข้าไปในทฤษฏีแบบจำลองมาตรฐาน เพื่อเติมเต็มส่วนที่ยังอธิบายได้ไม่ครบถ้วนของทฤษฎี ต่อมานักฟิสิกส์ชื่อ สตีเวน วีนเบิร์ก และ ซาลาม (Steven Weinberg and Abdus Salam) ได้นำแนวความคิดของฮิกก์มาอธิบายการเกิดมวลสารว่าสนาม ฮิกก์เป็นเสมือนทะเลที่มีอยู่ทุกแห่งหนในอวกาศ และจะต่อต้านการเคลื่อนที่ของอนุภาคในระดับดีกรีต่างกัน อนุภาคใดก็ตามที่ยิ่งมีอันตรกิริยากับสนามฮิกก์นี้มากเท่าใด ก็จะเกิดความต้านทานที่อนุภาคมากขึ้นเท่านั้น นั่นหมายถึงมวลสารของอนุภาคนั้นมีค่ามากขึ้นด้วย อนุภาคทุกชนิดเริ่มต้นด้วยมวลเป็นศูนย์ จนกว่าจะมีอันตรกิริยากับสนามฮิกก์ ค่าของมวลจึงปรากฏขึ้นมา ตรงนี้จะเห็นว่าสมบัติของการมีมวลนั้น ไม่ได้เป็นสมบัติที่ติดตัวมาตั้งแต่แรกเริ่มของอนุภาค

อย่างไรก็ตามเจ้าอนุภาคฮิกก์นี้หลุดรอดจากการตามล่าของนักฟิสิกส์ได้ตลอดมา จนถึงปี พ.ศ. 2552 นี้ นักฟิสิกส์มีความมั่นใจถึง 90 % ว่าเครื่อง LHC สามารถจะตรวจพบอนุภาคฮิกก์ได้ แต่ถ้าไม่พบล่ะ ปีเตอร์ ฮิกก์ถึงกับบอกว่า คงต้องกลับไปทบทวนทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานกันใหม่ ว่าเราเข้าใจคลาดเคลื่อนตรงไหน

 

รูปที่ 9 Peter Higg ขณะเยี่ยมชมโครงการ LHC เมื่อ 7 เมษายน 2008

 

นอกจากจะใช้เครื่อง LHC ตรวจจับอนุภาคฮิกก์แล้ว ความรู้ที่ได้จากงานวิจัยน่าจะเป็นการเปิดยุคใหม่ของฟิสิกส์อนุภาค ปัจจุบันนักฟิสิกส์ต่างก็เชื่อว่าเรารู้จักองค์ประกอบของจักรวาลประมาณ 5 % เท่านั้น ส่วนที่เหลือของจักรวาลอยู่ที่นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถตรวจจับได้ เรียกมันว่าเป็นสสารมืด และ พลังงานมืด (Dark matter and Dark Energy) ถ้าเครื่อง LHC นี้ทำให้เราได้พบอนุภาคอื่น ๆ ที่ยังไม่เคยสังเกตได้ไม่พบอีก ก็จะกลายเป็นก้าวแรกที่จะได้ศึกษาส่วนที่ยังเหลืออยู่อีก 95 % ของจักรวาล ที่เรายังไม่ได้สำรวจ

โครงการ LHC จะช่วยให้นักฟิสิกส์มีความรู้เกี่ยวกับจักรวาลและเบื้องหลังของมันมากยิ่งขึ้น ปัญหาที่ยากยิ่งข้อหนึ่งคือแรงโน้มถ่วง หรือแรงดึงดูดระหว่างมวล ดูเป็นแรงลึกลับแรงหนึ่งแต่ก็โดดเด่นเพราะมันเป็นแรงที่ทำให้เกิดโครงสร้างอันมหึมาของจักรวาล เป็นเรื่องที่ท้าทายที่จะพยายามนำมันมารวมอยู่ในกลศาสตร์ควอนตัมภายใต้ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน และตอบข้อสงสัยที่ว่าทำไมแรงนี้จึงมีพิสัยไกลแต่ขนาดของแรงน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงแบบแข็ง และแรงแบบอ่อน นอกจากนี้ยังเป็นการตรวจสอบทฤษฎีสมมาตรยวดยิ่ง (Super symmetry Theory) ว่าความสมมาตรเป็นสิ่งเป็นปกติของธรรมชาติหรือไม่ เพราะจากทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานจะเห็นว่าอนุภาคต่าง ๆ มีคู่สมมาตรของมันเสมอ เช่นอิเล็กตรอนมีโปรสิตรอนเป็นคู่สมมาตร (อิเล็กตรอนและโปรสิตรอนต่างมีมวลเท่ากัน ขนาดประจุเท่ากันแต่อิเล็กตรอนเป็นลบ โปรสิตรอนเป็นบวก) เราอาจจะได้เห็นข้อเท็จจริงที่ว่าจักรวาลนี้มีมิติอื่น ๆ (Extra dimensions) นอกเหนือไปจาก 4 มิติที่เราคุ้นเคย (คือตำแหน่งของอนุภาคใน 3 แกน และเวลา) อีกหรือไม่ ทฤษฎีสตริง (String Theory) ได้ทำนายไว้ว่ารูปแบบของจักรวาลมีความเป็นไปได้อย่างหลายหลายมิติ

การทำให้โปรตอนชนกันด้วยพลังงานสูง จะทำให้โปรตอนแตกกระจายกลายเป็นอนุภาคย่อย ๆ ของอะตอม ที่เรียกว่า subparticle อนุภาคย่อยเหล่านี้ไม่เสถียรและปรากฏให้เห็นในชั่วเสี้ยววินาที ก่อนที่มันจะสลายตัว หรือรวมกับอนุภาคย่อยอื่นกลายเป็นอนุภาคย่อยตัวใหม่ จากทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) กล่าวว่าจักรวาลในช่วงต้นๆ จะประกอบด้วยอนุภาคย่อยเล็ก ๆ เหล่านี้เป็นจำนวนมาก เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง อนุภาคย่อยเหล่านี้จะรวมกันเป็นอนุภาคที่ใหญ่ขึ้น เช่น โปรตอนและนิวตรอน การชนกันของโปรตอนในเครื่อง LHC เปรียบเสมือนการจำลอง Big Bang ในระดับเล็ก ๆ นั่นเอง

ในการทดลองนี้จะเกิดอนุภาคแปลก ๆ หรือเกิดหลุมดำ (Black hole) ทำลายโลกหรือดูดกลืนโลกหรือไม่ คณะกรรมการของเซิร์น ได้คำนวณและคาดการณ์ผลที่ได้จากการทดลองครั้งนี้แล้วยืนยันได้ว่ามีความปลอดภัยต่อโลกและสิ่งมีชีวิตบนโลกนี้อย่างแน่นอน ถ้าการเกิดหลุมดำมีความเป็นไปได้จริง ก็จะเป็นหลุมดำขนาดจิ๋ว ซึ่งเล็กเกินกว่าจะดูดกลืนโลก หรือวัตถุอื่น ๆ และหลุมดำนี้จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว สตีเฟน ฮอว์คิง ( Stephen Hawking) นักฟิสิกส์ชั้นนำของโลก ยังช่วยออกมายืนยันอีกด้วยว่า การทดลองของโครงการ LHC นั้นปลอดภัยอย่างแน่นอน

การทดสอบเมื่อวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2551 เริ่มต้นด้วยการยิงโปรตอนเข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคในทิศตามเข็มนาฬิกา จุดขาวสองจุดสว่างวาบบนจอคอมพิวเตอร์แสดงว่าโปรตอนได้เดินทางครบรอบเมื่อเวลาประมาณ 10.28 น. (เวลาท้องถิ่น) จากนั้นทดสอบให้โปรตอนเคลื่อนที่ในทิศทวนเข็มนาฬิกาบ้าง ในรอบนี้พบปัญหาเกี่ยวกับของเครื่องมือบางชิ้น เมื่อแก้ไขได้สำเร็จแล้ว โปรตอนสามารถเคลื่อนที่ได้ครบรอบ เมื่อเวลา 14.59 น. ต่อมาเมื่อวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2551 ได้เกิดเหตุฮีเลียมเหลวรั่วไหลเข้ามาในอุโมงค์จำนวน 6 ตัน ตรงบริเวณเซกเตอร์ 3 และ 4 ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 100 เคลวิน แท่งแม่เหล็กจำนวน 29 ชิ้นชำรุดเสียหาย สภาพสุญญากาศภายในท่อที่ใช้เร่งอนุภาคไม่ได้เป็นไปตามที่กำหนดไว้ จำเป็นต้องซ่อมแซมส่วนที่เสียหายบริเวณนี้ คาดว่าต้องใช้เวลาไม่น้อยกว่า 2 เดือน
ตามตารางเวลาที่กำหนดไว้ของเซิร์น ถ้าการทดสอบไม่มีความเสียหายเกิดขึ้น การชนกันของโปรตอนที่ระดับพลังงาน 900 GeV จะถูกทดลองครั้งแรกภายในเดือนกันยายน 2551 การชนกันของโปรตอนที่ระดับพลังงาน 10 TeV จะตามมาในวันที่ 21 ตุลาคม 2551 เนื่องจากต้องหยุดซ่อมแซม และจะต้องใช้เวลาในการอุ่นเครื่องอีกสักระยะหนึ่งแล้วจึงให้ส่วนที่ซ่อมแล้วนั้นเย็นตัวลงจนถึงอุณหภูมิที่ใช้ปฏิบัติการ การเดินเครื่อง LHC คงจะเริ่มมีขึ้นอีกครั้งหลังเดือนกันยายน 2552 ไปแล้ว

ทำให้นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างเฝ้ารอด้วยความกระหายที่อยากจะรู้และรอผลการทดลองด้วยใจระทึก รวมทั้งปีเตอร์ ฮิกก์ซึ่งมีอายุ 78 ปีแล้ว เขาได้เล่าอย่างตลกว่าได้บอกหมอประจำตัวให้ช่วยพยายามทำทุกวิถีทางเพื่อยืดอายุของเขาจนกว่าจะได้เห็นผลการวิเคราะห์ที่ได้จากการทดลอง มิฉะนั้นคงจะตายตาไม่หลับกระมัง

 

แปลและเรียบเรียงจาก 
บทความเรื่อง One Ring to Rule Them All ตีพิมพ์ในวารสาร Scientific American 
ฉบับ เดือนเมษายน ค.ศ. 2008 หน้า 42-53 นำรูปภาพมา retouch แปลเป็นภาษาไทยประกอบบทความ 
บทความเรื่อง The Edge of Physics ตีพิมพ์ในวารสาร Scientific American Special Edition หน้า 52-59 ฉบับ พฤษภาคม ค.ศ. 2003 
ตัวเลขในบทความส่วนใหญ่อ้างอิงจาก The LHC Project 

 

 

 

ศัพท์วิทยาศาสตร์ ฉบับราชบัณฑิตสถาน

A  B  D  F  G  H  I  J  K  L  M 

N  O  Q  R  S  T  U  V  W  X  Y 

                        ถ        

                              อ   

นักวิทยาศาสตร    หน่วย      ศัพท์แผ่นดินไหวตัวอักษรจาก A-M   จาก N-Z

 

 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

     

 บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์    

คณิตศาสตร์ราชมงคล

           ฟิสิกส์ราชมงคลใหม่

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3    เหมียว  

แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน  พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว  

ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL  พจนานุกรมภาพต่างๆ 

ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2 

กลศาสตร์เวกเตอร์

โลหะวิทยาฟิสิกส์

เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1

ฟิสิกส์  2 (บรรยาย)

แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์

วีดีโอการเรียนการสอน

หน้าแรกในอดีต

แผ่นใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF

สุดยอดสิ่งประดิษฐ์

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ 

ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)

พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์ 

ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์

เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์

คำศัพท์ประจำสัปดาห์

 

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก

ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์เทศ

นักวิทยาศาสตร์ไทย

ดาราศาสตร์พิศวง 

การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์

การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด

2. เวกเตอร์

3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ

4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ

5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

7.  งานและพลังงาน 

8.  การดลและโมเมนตัม

9.  การหมุน  

10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง

11. การเคลื่อนที่แบบคาบ

12. ความยืดหยุ่น

13. กลศาสตร์ของไหล  

14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน

15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก 

16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17.  คลื่น

18.การสั่น และคลื่นเสียง

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต

2.  สนามไฟฟ้า

3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า

6. กระแสไฟฟ้า 

7. สนามแม่เหล็ก

 8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ 

10. ทรานซิสเตอร์ 

11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

14. กลศาสตร์ควอนตัม

15. โครงสร้างของอะตอม

16. นิวเคลียร์ 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. จลศาสตร์ ( kinematic)

   2. จลพลศาสตร์ (kinetics) 

3. งานและโมเมนตัม

4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง

5.  ของไหลกับความร้อน

6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า 

7. แม่เหล็กไฟฟ้า 

8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง

9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร์ 

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล