ฟิสิกส์และแนวคิด
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
แล้วเราอยากศึกษาเรื่อง การชนกันของอนุภาคไปเพื่ออะไร?
คำตอบสั้นๆ คือ เราต้องการรู้มากขึ้น ถึงโลกที่เราอาศัยอยู่ เป็นธรรมชาติของคนที่จะอยากรู้ว่า สิ่งนี้มันมาจากไหน มันเกิดขึ้นมาได้อย่างไร การทดลองที่ LHC นี้ก็มีจุดมุ่งหมายเดียวกันนี้ คือให้ได้รู้มากขึ้น
เมื่อมีความรู้ใหม่ การประยุกต์ใช้ก็จะตามมาทีหลัง แต่การที่จะพัฒนาอะไรได้ ต้องเริ่มจากความรู้ก่อน ดังที่มารี คูรีกล่าวไว้ว่า "อย่าพะวงเรื่องประโยชน์ที่ได้ แต่จงเน้นผลิตความรู้พื้นฐานก่อน" เมื่อคราวที่เธอและสามีศึกษาเรื่องรังสี ซึ่งตอนนั้นไม่มีใครรู้ว่า จะเอามาทำอะไร แต่ทุกวันนี้ รังสีมีใช้ทางการแพทย์อย่างกว้างขวาง
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)
ควาร์กเป็นอนุภาคประหลาด มันมีความแตกต่างกับอนุภาคมูลฐานอย่างอิเล็กตรอนในด้านประจุไฟฟ้า โดยควาร์กแต่ละอนุภาค มีประจุเป็นเศษส่วน (1/3 and 2/3) ยังไม่เคยมีใครพบอนุภาคที่มีประจุแบบนั้นเลยในการทดลอง แต่การค้นพบอนุภาคใหม่ๆ เมื่อเอาโปรตอนมาชนกัน ทำให้เรารู้ว่าโปรตอนนั้นประกอบด้วยควาร์ก
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
อนุภาคเหล่านี้ทั้งหลาย จะถูกสร้างขึ้นที่ LHC เป็นจำนวนมหาศาล ทุกๆ เสี้ยววินาทีที่มีการชนกันของโปรตอนหรือไอออน แต่อนุภาคที่สำคัญซึ่งได้ถูกทำนายทางทฤษฎีแต่ยังไม่พบในการทดลอง ก็คืออนุภาคฮิคส์ (Higgs) ซึ่งเป็นอนุภาคซึ่งอยู่ในทฤษฎีที่เรียกว่าอิเลคโทรวีค (electroweak) ซึ่งบอกว่าสนามฮิคส์เป็นสิ่งที่ทำให้อนุภาคมูลฐานต่างๆ มีมวลที่มันมี
ทฤษฎี electroweak ได้ทำนายมวลของอนุภาค W และ Z ซึ่งได้ถูกค้นพบในการทดลองเมื่อปี 1983 (ที่ CERN นี่เอง ในเครื่องชื่อ UA1 และ UA2) ดังนั้นก็เลยคาดว่า สักวัน เราน่าที่จะพบอนุภาคฮิคส์ แต่ต้องใช้พลังงานสูง (เพราะฮิคส์มีมวลสูง เป็นร้อยกว่าเท่าของมวลโปรตอน)
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 (LHC มีความยาวรอบวง 27 กิโลเมตร) และมีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งส่วนใหญ่มาจากแม่เหล็กจำนวนมาก ที่ใช้ในการปรับทิศทางอนุภาคให้เคลื่อนไปในเส้นทางที่ต้องการ การที่ LHC ถูกสร้างขึ้นได้นั้นเป็นวิศวกรรมที่น่าทึ่งที่สุดอย่างหนึ่งของมนุษยชาติ และเป็นการแสดงถึงความร่วมมือกันของนานาชาติอันยิ่งใหญ่มาก
LHC ได้ย้ำว่ายุโรปเป็นศูนย์กลางแห่งฟิสิกส์ของโลก โดยห่างไปแค่ราว 300 ก.ม. ก็มีอีกเครื่องทางฟิสิกส์ขนาดใหญ่ที่กำลังถูกสร้างขึ้น ชื่อ ITER โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อจะศึกษานิวเคลียร์ฟิวชันที่ตอนใต้ของฝรั่งเศส ซึ่งจะใช้งบประมาณที่สูงยิ่งกว่า LHC อีก
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
ในความเป็นจริงแล้ว 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
LHC อาจมีพลังงานสูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคอื่นๆทั่วโลก แต่พลังงานก็ยังต่ำกว่าอนุภาคที่ธรรมชาติผลิตขึ้นหลายเท่าอยู่ดี
โดยการทดลอง CMS และ ATLAS จะเป็นการทดลองใหญ่ 2 การทดลองที่เน้นด้านการชนกันของโปรตอน และของไอออนตะกั่ว (Pb, 82) โดยมีการทดลอง ALICE เป็นการทดลองหลักในการศึกษาการชนกันของตะกั่วนี้
ก่อนจะมี LHC
ในโลก มีเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์หลายเครื่อง เช่นที่ชิคาโกมี Tevatron มีเส้นรอบวง 6.3 กม. เป็นเครื่องที่มีขนาดใหญ่สุดก่อนที่เราจะมี LHC ตั้งอยุ่ใน Fermilab ซึ่งเอาโปรตอนชนกับแอนไทโปรตอน (antiproton) ที่พลังงานเกือบ 2 TeV อนุภาค top quark ถูกค้นพบที่เครื่องนี้ เมื่อปี 1995
RHIC ที่นิวยอร์ก RHIC มีความยาวรอบวง 3.8 กิโลเมตร โดยทำให้ไอออนถูกเพิ่มความเร็วในเครื่องเร่งอนุภาค สู่ความเร็วที่เข้าใกล้ความเร็วแสง โดยใช้ทฤษฏีของเครื่องซิงโครทรอน ไอออนเหล่านี้ถูกนำมาพุ่งชนกัน ผลก็คือ สสารนิวเคลียร์ที่ร้อนระอุและหนาแน่นอย่างยิ่ง
ที่ RHIC นั้นมีการนำโปรตอนมาชนกัน หรือไอออนทองมาชนกัน ที่พลังงาน 200 GeV (ประมาณ 1/70 เท่าของพลังงานที่ LHC)
การจะทำให้เกิดพลาสมาของควาร์ก-กลูออนนั้น เราต้องการให้มีความหนาแน่นของนิวคลีออนเริ่มต้นมากพอ ที่จะสร้างสสารที่แน่นและเป็นสื่อ (medium) ซึ่งประกอบไปด้วยควาร์ก และ กลูออน ที่เป็นอิสระ (deconfined) หลังจากการชนกัน สภาวะของควาร์ก-กลูออนเช่นนี้ไม่มีอยู่ในโลกปัจจุบัน แต่ตามทฤษฎีนั้น ได้เกิดขึ้นในจักรวาล หลังจากที่ Big Bang ได้จบลงไปหมาด ๆ |
