ปริซึมซิลิคอนสามารถเบนรังสีแกมมา

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          แก้วเป็นวัสดุที่เราเลือกใช้สำหรับทำเลนส์ แก้วเองก็เหมือนกับวัสดุอื่น ๆ ที่มีองค์ประกอบเป็นอะตอมที่มี โครงสร้างเป็นอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสเล็ก ๆ ตรงกลางของอะตอม สำหรับวัสดุที่ทึบแสง อิเล็กตรอนเหล่านี้ จะดูดกลืนแสงไว้ หรือไม่ก็สะท้อนแสงกลับออกไป แต่สำหรับแก้วที่โปร่งใส อิเล็กตรอนพวกนี้จะเกิดการสั่น และผลักแสงออกไปในทิศทางที่ต่างไป การที่แสงเบนออกไปมากหรือน้อยนี้ นักฟิสิกส์เรียกว่า ดัชนีหักเห (refractive index) โดยกรณีที่ไม่ทำให้ให้แสงเบนหรือหักเห ดัชนีหักเหคือ 1

          นักฟิสิกส์รู้จักรังสีแกมมามานาน ว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับแสง และก็เชื่อมานานว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเลนส์ที่สามารถใช้โฟกัสรังสีแกมมาได้ อย่างไรก็ดี วันนี้มีทีมนักฟิสิกส์ในฝรั่งเศสและเยอรมนี ได้ค้นพบในสิ่งที่ไม่ได้คาดหมาย กล่าวคือ เสนอแนะว่าการโฟกัสรังสีแกมมาเป็นไปได้ ตลอดจนจะนำไปสู่การใช้ประโยชน์ในวิสัยใหม่ ๆ ใน การสร้างภาพทางด้านการแพทย์ (medical imaging) และ การตรวจคัดทางด้านความมั่นคง (security screening) การค้นพบครั้งนี้จะส่งผลให้ความเข้าใจมูลฐานว่า แสงมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอย่างไร

          การหักเหเกิดได้ดีกับ แสงที่ตามองเห็น (visible light) ซึ่งเป็นสัดส่วนเล็ก ๆ เท่านั้นของ สเปกตรัมรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) ที่เป็นเช่นนี้เพราะคลื่นแสงมีความถี่สอดคล้องดีกับ การแกว่งกวัด (oscillation) ของอิเล็กตรอนในวงโคจร แต่สำหรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงขึ้น ๆ ตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลตขึ้นไป ความถี่ของคลื่นจะสูงเกินไปสำหรับอิเล็กตรอนจะตอบสนอง ทำให้เลน์มีประสิทธิภาพแย่ลงเรื่อย ๆ เมื่อพลังงานสูงขึ้น ๆ อย่างไรก็ดี ในราวปลายศตวรรษก่อน (ประมาณ 20 ปีก่อน) นักฟิสิกส์สามารถประดิษฐ์เลนส์สำหรับรังสีเอกซ์ซึ่งมีพลังงานสูงขึ้นถัดจากรังสีอัลตราไวโอเลต ได้สำเร็จ ด้วยเลนส์ที่เป็นวัสดุซ้อนกันหลาย ๆ ชั้น และเป็นจุดเริ่มของสาขา ทัศนศาสตร์รังสีเอกซ์ (x-ray optics) ซึ่งด้วยคลื่นที่สั้นของรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถสร้างภาพแยกชัดได้ในระดับนาโนเมตร

          เมื่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนผ่านเข้าไปในตัวกลาง ความเร็วจะขึ้นกับ ดัชนีหักเห ของวัสดุ โดยเมื่อรังสีผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง จะเกิดการเปลี่ยนของดัชนีหักเห ซึ่งทำให้รังสีเคลื่อนเบนทิศทางไปได้ ซึ่งประการนี้เป็นพื้นฐานของ ทัศนศาสตร์แผนเดิม (classical optics) สำหรับรังสีเอกซ์ ดัชนีหักเหกำหนดได้จาก การกระเจิงเรย์ลี (Rayleigh scattering) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์แนวคลาสสิก ที่สามารถอธิบายได้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึงปฏิสัมพันธ์ในรายละเอียด ระหว่างแต่ละโฟตอนกับนิวเคลียสทั้งหลายของอะตอม

          การที่นักฟิสิกส์ใช้การกระเจิงเรย์ลีในการโฟกัสรังสีเอกซ์ กำลังของผลลดลงเป็น กำลังสองผกผัน (inverse square) กับพลังงานของรังสีเอกซ์ กล่าวคือ สำหรับรังสีเอกซ์พลังงานสูง ๆ (และต่อเนื่องไปยังรังสีแกมมาพลังงานต่ำ ๆ) เลนส์ไม่ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพพอให้รังสีเบนได้มาก ทางแก้คือ ใช้เลนส์จำนวนมากมาต่อเรียงกัน อย่างไรก็ดี ไม่มีเลนส์ใดที่ส่งผ่านได้สมบูรณ์ ดังนั้น ด้วยพลังงานสูง ๆ ที่ต้องใช้เลนส์จำนวนมาก กลับส่งผลในทางปฏิบัติคือ รังสีทั้งหมดถูกดูดกลืนในเลนส์

          กล่าวกันตาม ฟิสิกส์แผนเดิม (classical physics) และ ควอนตัมฟิสิกส์สัญนิยม (conventional quantum physics) แนวโน้มนี้จะดำเนินต่อเนื่องไปที่พลังงานสูงขึ้น นี่คือวิธีการเริ่มต้นการตรวจวัดในซิลิคอนที่ ดีทริช ฮับส์ (Dietrich Habs) และคณะ แห่ง มหาวิทยาลัยลุดวิกแมคซีมีเลียนส์ (Ludwig Maximilians University) เมืองมิวนิค ประเทศเยอรมนี ร่วมกับ มิคาเอล เยนท์เชล (Michael Jentschel) และคณะวิจัยที่ สถาบันเลาเอ-ลองช์แวง (Institut Laue-Langevin) เมือง เกรอนอเบิล (Grenoble) ประเทศฝรั่งเศส ได้ทำการศึกษา แต่สิ่งที่พวกเขาค้นพบกลับปรากฏเป็นตรงกันข้ามอย่างแท้จริง –ดัชนีหักเหเริ่มย้อนกลับเมื่อพลังงานประมาณสูงกว่า 700 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) ที่ยิ่งไปกว่านั้นก็คือ ขณะเมื่อดัชนีหักเหเป็นลบสำหรับรังสีเอกซ์ กลับมีค่าเป็นบวกสำหรับรังสีแกมมา

          ฮับส์เป็นนักฟิสิกส์เชิงการทดลอง และไม่ได้อ้างว่ามีคำอธิบายเชิงทฤษฎีในรายละเอียด สำหรับปรากฏการณ์นี้ แต่เขาเชื่อว่า ผลลัพธ์เหล่านี้ได้ให้แง่คิดใหญ่ ๆ ด้าน พลศาสตร์ไฟฟ้าเชิงควอนตัม (quantum electrodynamics) ที่ข้ามพ้น ขีดจำกัดชวิงเงอร์ (Schwinger limit) อันเป็นจุดที่ วิธีการของทฤษฎีเพอร์เทอร์เบชันแบบดั้งเดิม (traditional perturbative treatments) ใช้ไม่ได้กับพลศาสตร์ไฟฟ้าเชิงควอนตัม และไม่สามารถคำนวณ ด้วยเทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่มีอยู่ในปัจจุบันได้ พวกนักวิจัยให้เหตุผลผลลัพธ์ไปที่อีกกระบวนการหนึ่งที่เรียกว่า การกระเจิงเดลบรึค (Delbr?ck scattering) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ โฟตอนตกกระทบ (incident photon) มีพลังงานเพียงพอทะลุทะลวงเข้าใกล้นิวเคลียส จนพอที่จะผลิต คู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน (electron–positron pair) จาก สุญญากาศควอนตัม (quantum vacuum) การเบนของรังสีแกมมาในการทดลองของพวกเขาแม้ไม่มาก คือประมาณ 1 ในล้านองศาเท่านั้น เทียบเป็นดัชนีหักเหได้เท่ากับ 1.000000001 แต่สามารถขยายได้ด้วยเลนส์ ที่ทำด้วยวัสดุที่มีนิวเคลียสขนาดใหญ่ เช่น ทองคำ ซึ่งมี คู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือน (virtual electron-positron pairs) มากกว่า เมื่อพัฒนาต่อไป ก็จะได้เลนส์รังสีแกมมาสำหรับโฟกัสลำพลังงานจำเพาะได้

          ฮับส์อธิบายว่า ในอดีต เป็นไปไม่ได้ที่จะผลิตรังสีแกมมาที่เป็น ต้นกำเนิดพลังงานเดียว (mono-energetic source) ได้เพียงพอสำหรับวัดดัชนีหักเหของวัสดุได้จริง ณ พลังงานสูงขนาดนั้น ดังนั้น ตารางข้อมูลในตำราฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ได้จากทฤษฎี ซึ่งตั้งสมมติฐานว่า การกระเจิงเดลบรึค จัดเป็นปรากฏการณ์หรือผลอย่างอ่อน ถึงตอนนี้ ตำราเหล่านั้นน่าจะต้องเขียนใหม่ “สิ่งใหม่ในวันนี้ก็คือ ด้วยรังสีแกมมา เราสามารถระบุได้จริง ๆ ถึงสนามไฟฟ้ากำลังมหาศาลของนิวเคลียส” ฮับส์บอก

          นักนิวเคลียร์ฟิสิกส์ชื่อ นอร์เบิร์ต พีทราลลา (Norbert Pietralla) จาก มหาวิทยาลัยดาร์มชตัดท์ (University of Darmstadt) ในเยอรมนี ประทับใจกับผลการทดลองนี้มาก “การวัดนี้ชี้ว่า สำหรับพลังงานของรังสีแกมมา ก็มีดัชนีหักเหเช่นกัน ก็คือ มีค่าสูงมากกว่าที่เคยเชื่อกันมาก่อน” เขาอธิบายต่อไปว่า กรณีนี้น่าจะนำไปสู่ การประดิษฐ์เลนส์รังสีแกมมาได้

          ฮับส์ยังตื่นเต้นอีกด้วย ถึงขีดความสามรถที่เป็นไปได้ของการใช้ประโยชน์ต่าง ๆ ที่เทคโนโลยีนี้จะอำนวย เขาแนะถึงการสร้างภาพในทางการแพทย์ ว่าเป็นเพียงหนึ่งในความเป็นไปได้ โดยเขากล่าวว่า รังสีแกมมาสามารถตามหาร่องรอยของลิเทียมในสมองของผู้ป่วยรับการรักษา โรคไบโพลาร์ (bipolar disorders) นอกจากนี้เขายังเชื่อว่า การค้นพบนี้สามารถนำไปสู่การปฏิวัติด้าน ทัศนศาสตร์รังสีแกมมา (gamma-ray optics) ได้มากเท่า ๆ กับการจุดประกายจากการประดิษฐ์ กล้องส่องทางไกล (telescope) และ กล้องจุลทรรศน์ (microscope) ในสมัยศตวรรษที่ 17 ทั้งนี้ วัสดุที่มีนิวเคลียสที่มีประจุบวกสูง ๆ อาทิเช่น ทองคำ นับเป็นวัสดุในอุดมคติ สำหรับทำเป็น เลนส์รังสีแกมมา (gamma-ray lenses) และทีมของฮับส์กำลังศึกษาเลนส์ทองคำอยู่ในขณะนี้

          งานวิจัยนี้ตีพิมพ์อยู่ใน Physical Review Letters

ข้อมูลจาก :
http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/may/09/silicon-prism-bends-gamma-rays
http://www.theregister.co.uk/2012/05/09/gamma_ray_lense/
http://www.wired.com/wiredscience/2012/05/gamma-ray-lens/

โพสต์เมื่อ : 15 พฤษภาคม 2555