เกาะกระแสหน่อยแล้วกันหลังจากที่ "เซิร์น" หรือ องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปได้เดินเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) ไปแล้วในวันนี้
แล้วเพื่อนๆ สงสัยไหมว่าเขาทำไปทำไมกัน? แต่ก่อนอื่นเรามาศึกษากันก่อนดีกว่าว่าเจ้าเครื่องที่ว่าเนี่ยมันทำงานยังไง
ก่อนที่จะตื่นตูมกลัวตายไปตามๆ กัน อ่านสักหน่อยก็ยังดี
จะได้จำใส่ใจไว้ด้วยว่าในช่วงชีวิตหนึ่งของเราได้มีส่วนร่วมในการทดลองที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในโลก
ภาพจำลองแสดงภาคตัดขวางของห้องปฏิบัติการสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี
แผนที่แสดงตำแหน่งของท่อสำหรับเร่งอนุภาคของเซิร์น P1 คือตำแหน่งของสถานีตรวจวัดอนุภาคแอตลาส
เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่มีลักษณะเป็นท่อขดเป็นวงยาว 27 กิโลเมตร อยู่ลึกลงไปใต้ดิน 100 เมตร ขดอยู่รอบชายแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์
โดยเครื่องเร่งอนุภาคจะทำการเร่งลำอนุภาคของโปรตอน 2 ลำให้เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามไปตามท่อที่วางขนานกันซึ่งถูกเก็บรักษาไว้ภายใต้ภาวะสุญญากาศ แล้วชนกันที่ความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง 99.9999% ที่พลังงานสูงระดับ TeV หรือระดับล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (1012 eV) ที่บริเวณสถานีตรวจวัดสัญญาณกำเนิดจักรวาล 4 จุดด้วยกันคือ
1. สถานีตรวจวัดอลิซ (ALICE) หน้าที่ของเครื่องตรวจวัดที่สถานีนี้คือการตรวจวัดสถานะพลาสมาควาร์ก-กลูออน (quark-gluon plasma)
ซึ่งเชื่อว่าเป็นสถานะที่เกิดขึ้นหลังบิกแบง ขณะที่เอกภพยังร้อนสุดขีด โดยการชนกันของอนุภาคที่จะเกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีนั้นจะทำให้ เกิดอุณหภูมิสูง 100,000 เท่าของใจกลางดวงอาทิตย์ นักฟิสิกส์หวังว่าภายในสภาวะนี้โปรตอนและนิวตรอนจะ "ละลาย" และปลดปล่อยควาร์กออกจากพันธะ
ทีมวิจัยในส่วนของอลิซวางแผนที่จะศึกษาสถานะพลาสมาควาร์ก-กลูออนเมื่อขยายตัวและเย็นลง รวมถึงสังเกตว่าสถานะพิเศษนี้ค่อยๆ กลายเป็นอนุภาคซึ่งประกอบขึ้นเป็นสสารในเอกภพอย่างทุกวันนี้ได้อย่างไร
2. สถานีตรวจวัดอนุภาคแอตลาส (ATLAS) เป็น 1 ใน 2 เครื่องตรวจวัดอเนกประสงค์ภายในเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี มีหน้าที่อย่างกว้างๆ คือ
ตรวจหาอนุภาคฮิกก์ส มิติพิเศษ (extra dimension) และอนุภาคที่อาจก่อตัวขึ้นเป็นสสารมืด (dark matter) โดยจะวัดสัญญาณของอนุภาคที่คาดว่าถูกสร้างขึ้นหลังการชนกันของอนุภาค
ทั้งแนวการเคลื่อนที่ พลังงาน รวมไปถึงการจำแนกชนิดอนุภาคนั้นๆ
แอตลาสเป็นระบบแม่เหล็กรูปโดนัทขนาดใหญ่ที่มีความยาวถึง 46 เมตร นับเป็นเครื่องมือชิ้นใหญ่ที่สุดของเซิร์น
และมีขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดขดเป็นทรงกระบอกยาว 25 เมตร รอบๆ ท่อลำอนุภาคที่ผ่านใจกลางของเครื่องตรวจวัดอนุภาคนี้
เมื่อเดินเครื่องจะเกิดสนามแม่เหล็กในศูนย์กลางของทรงกระบอก ที่สถานีนี้มีนักวิทยาศาสตร์ทำงานกว่า 1,700 คน
3. สถานีตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS) เป็นเครื่องตรวจวัดอนุภาคที่มีเป้าหมายเดียวกับแอตลาส แต่มีความแตกต่างในรูปแบบการทำงานและระบบแม่เหล็กในการตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส
สร้างขึ้นด้วยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่เกิดจากสายเคเบิลตัว นำยิ่งยวดที่ขดเป็นทรงกระบอก ซึ่งสร้างให้เกิดสนามแม่เหล็กได้มากกว่าโลก 100,000 เท่า ซึ่งทำให้เครื่องตรวจวัดหนักถึง 12,500 ตัน
แทนที่จะสร้างเครื่องมือชิ้นนี้ภายในอุโมงค์ใต้ดินเหมือนเครื่องมือ อื่นๆ แต่เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีกลับสร้างขึ้นจากบนพื้นดินแล้วแยกเป็นชิ้นส่วน 15 ชิ้นเพื่อนำลงไปประกอบในชั้นใต้ดิน
และที่สถานีนี้ก็มีนักวิทยาศาสตร์ทำงานจำนวนมากไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าสถานีแอ ตลาสถึง 2,000 คนจากกว่า 150 สถาบันใน 37 ประเทศ
4. สถานีตรวจวัดอนุภาคแอลเอชซีบี (LHCb) ซึ่งจะทำการทดลองเพื่อสร้างความเข้าใจว่าทำไมเราจึงอาศัยอยู่ในเอกภพที่เต็ม ไปด้วยสสาร แต่กลับไม่มีปฏิสสาร โดยมีหน้าที่พิเศษในการศึกษาอนุภาคที่เรียกว่า
"บิวตี ควาร์ก" (beauty quark) เพื่อสังเกตความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างสสารและปฏิสสาร และแทนที่จะติดตั้งเซนเซอร์รอบจุดที่อนุภาคชนกันก็ใช้ชุดเซนเซอร์ย่อยเรียง ซ้อนกันเป็นความยาว 20 เมตร
เมื่อแอลเอชซีเร่งให้อนุภาคชนกันแล้วจะเกิดควาร์กชนิดต่างๆ มากมายและสลายตัวไปอยู่ในรูปอื่นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นเซนเซอร์เครื่องตรวจวัดแอลเอชซีบีจึงถูกออกแบบให้อยู่ในเส้นทางของลำอนุภาคที่จะเคลื่อนที่เป็นวงไปตามเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี
ภาพเครื่องตรวจวัดซีเอ็มเอส
เจ้าหน้าที่เซิร์นกำลังตรวจสอบแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดของเครื่องซีเอ็มเอส
ช่างเทคนิคติดตั้งท่อแก๊สสำหรับเครื่องตรวจวัดอนุภาคอลิซ
แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดถูกลำเลียงสู่อุโมงค์ใต้ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติเร่งอนุภาคของเซิร์น
ภาพของเจ้าหน้าที่ขณะกำลังติดตั้งเครื่องซีเอ็มเอส
ที่เหล่านักวิทยาศาสตร์ทำการทดลองในครั้งนี้ก็เพื่อศึกษาหาต้นกำเนิดแห่งมวลในจักรวาล โดยมีคำถามพื้นฐานของมนุษย์ที่ว่าเอกภพหรือจักรวาลประกอบขึ้นจากอะไร?
หากเกิดตามทฤษฎี "บิกแบง" (Big Bang) การระเบิดครั้งใหญ่ที่ก่อเกิดจักรวาลเมื่อ 1.37 หมื่นล้านปีก็ก่อนควรจะมีสสาร (matter) และปฏิสสาร (antimatter) ในปริมาณเท่าๆ กัน
ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วสสารและปฏิสสารที่มีมวลเท่ากันแต่มีประจุตรงข้ามกันนั้นจะหักล้างกันเองแล้วเปลี่ยนมวลกลายไปเป็นพลังงานและไม่น่าจะมีกาแลกซี ดวงดาว โลกหรือสิ่งมีชีวิตอยู่เลย
หากทฤษฎีนี้เป็นจริงทำไมสสารและปฏิสสารไม่หักล้างกันอย่างไปสมบูรณ์ตั้งแต่เกิดระเบิดครั้งนั้น?
เป็นไปได้หรือไม่ที่มีเอกภพซึ่งประกอบขึ้นด้วยปฏิสสารมากมายอยู่ที่ใดสักแห่ง?
เกิดอะไรขึ้นกับปฏิสสารหลังบิกแบง?
ภาพจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงร่องรอยการเกิดฮิกก์ส ซึ่งหากการทดลองจริงพบฮิกก์สก็จะได้รับสัญญาณคล้ายกันนี้
นอกจากนี้ยังมีคำถามที่ว่าเกิดสสารที่ประกอบขึ้นเป็น ตัวเราได้อย่างไร?
ย้อนกลับไปในอดีตเราเชื่อว่าอะตอมคือหน่วยย่อยที่สุดของสสาร แต่ต่อมาเราก็พบว่ายังมีโปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอนที่เล็กกว่า และมี "ควาร์ก" (Quark) เป็นสิ่งที่เล็กลงไปอีก
แต่ยังไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุดและยังไม่สามารถตอบได้ว่ามวลก่อเกิดขึ้นในจักรวาลอันว่างเปล่าได้อย่างไร...
และนักฟิสิกส์ยังรอคอยหลักฐานที่เกิดจากอนุภาคชนกันเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีอีกหลายทฤษฎี เช่น
- ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด (supersymmetry theory) ที่อธิบายว่าอนุภาคมูลฐานมีคู่ "ซูเปอร์พาร์ทเนอร์" (superpartner) หรือคู่ยิ่งยวดที่คาดว่ามีมวลมากกว่า เช่น อิเล็กตรอน (electron) มีคู่คือ ซีเล็กตรอน (selectron) ควาร์ก (quark) มีคู่คือ สควาร์ก (squark) เป็นต้น เชื่อว่าคู่ยิ่งยวดเหล่านี้มีอยู่ในช่วงสั้นๆ หลังเกิดบิกแบง โดยเกิดขึ้นและสลายตัวอย่างรวดเร็วเนื่องจากมวลที่มากทำให้ไม่เสถียร ซึ่งวิธีที่จะสร้างคู่ยิ่งยวดขึ้นมาต้องสร้างเงื่อนไขให้คล้ายหลังเกิดบิ กแบงในช่วงเวลาสั้นๆ ที่เต็มไปด้วยพลังงานมหาศาล
- ทฤษฎีซูเปอร์สตริง (Superstring theory) ซึ่งเป็นทฤษฎีที่พยายามอธิบายอนุภาคและแรงพื้นฐานในธรรมชาติด้วยทฤษฎีเดียว โดยจำลองให้อนุภาคและแรงพื้นฐานเหล่านั้นคือการสั่นของเส้นเชือกสมมาตรเล็กๆ (tiny supersymmetry string) โดยมีแบบจำลองอย่างในทฤษฎีนี้ที่ผลการทดลองของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี
- แบบจำลองที่สมมติว่าเอกภพมีมิติมากกว่า 4 มิติ (Large extra-dimensions theories) โดยเราสามารถรับรู้ได้ถึงมิติของความกว้าง ความยาว ความสูงและเวลา แต่มีทฤษฎีที่เสนอว่าเอกภพมีมิติที่มากกว่านี้และคาดว่าการทดลองของ เซิร์นจะเผยให้เห็นมิติพิเศษ (extra-dimension) เพิ่มเติมมากกว่า 4 มิติที่เรารับรู้ได้
แต่ไม่ว่าการทดลองครั้งนี้จะได้ผลสรุปอย่างไร ที่แน่ ๆ คงจะเป็็นประวัติศาสตร์ครั้งใหญ่ที่ของมนุษย์ชาติ ที่ท้าทายกับธรรมชาติครั้งยิ่งใหญ่ที่สุด
เพราะถ้าการทดลองครั้งนี้ทำสำเร็จก็จะเป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ แต่ถ้าล้มเหลวก็น่าเสียดายงบประมาณมาก ๆ เซิร์นคงเสียหน้าแย่เลย...
เรียบเรียงใหม่โดย 9nat แห่งไทยเสียว
ที่มา:
http://www.mythland.org/html/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=2440#32100
อื่นๆ
