LHC

ทำไมต้อง LHC
LHC ถูกสร้างขึ้นเพื่อช่วยนักวิทยาศาสตร์หากุญแจที่เป็นคำตอบของปริศนาที่ไขไม่ได้ในฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งไม่เคยมีตัวอย่างของพลังงานที่จะไปเคยถึงจุดนี้มาก่อนซึ่งอาจเผยผลที่คาดไม่ถึงที่หลายคนไม่เคยคาดคิด

ในอดีตที่ผ่านมานักฟิสิกส์สามารถอธิบายปรากฏการณ์อนุภาคฟิสิกส์ที่สร้างจักรวาลขึ้นมาและปฏิกิริยาที่มีต่อกัน ความรู้ในการอธิบายนั้นมาจาก โมเดลมาตรฐาน ในฟิสิกส์อนุภาค แต่ก็ยังมีช่องว่างที่ไม่สามารถบอกถึงเรื่องราวที่เกิดขึ้นทั้งหมดได้ เพื่อเติมเต็มความรู้ที่หายไป เราต้องการข้อมูลการทดลอง ซึ่งเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่ต่อไปของ LHC

LHC ที่สร้างขึ้นจะมาตอบคำถามต่อไปนี้
งานของนิวตันยังไม่จบ
มวลคืออะไร ?
อะไรคือต้นกำเนิดของมวล ทำไมอนุภาคเล็ก ๆ ถึงมีมวลและบางอนุภาคกลับไม่มี ณ ปัจจุบันเรายังไม่มีคำตอบในคำถามนี้ แต่คำอธิบายที่สมเหตุสมผลที่สุดในตอนนี้คือทฤษฎี Higgs boson และเป็นอนุภาคที่เป็นกุญแจสำคัญในเรื่องโมเดลมาตรฐานซึ่งยังไม่เคยพบมาก่อน

การทดลองเพื่อหา Higgs boson นี้จะใช้สถานีตรวจจับ ATLAS และ CMS ในการค้าหาอนุภาคที่กล่าวถึงนี้ (สถานีตรวจจับจะกล่าวถึงรวมกันว่ามีอะไรบ้าง)

ปัญหาที่มองไม่เห็น
96% ของจักรวาลสร้างจากอะไร
ทุกอย่างที่เราเห็นในจักรวาล จากมดถึงกาแล็กซี่ สร้างจากอนุภาคทั่วไป ซึ่งถูกเรียกทั่วไปว่าสสาร และพบว่ามีอยู่ 4% ในจักรวาล ที่เหลือคืออะไร? สสารมืดและพลังงานมืด ถูกเชื่อว่าเป็นส่วนที่เหลือในจักรวาล แต่มีความยากลำมากในการตรวจจับและศึกษา นอกจากจะค้นพบแรงดึงดูดที่สสารมืดและพลังงานมืดปล่อยออกมา การศึกษาธรรมชาติของสสารมืดและพลังงานมืดเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในปัจจุบันในสายฟิสิกส์อนุภาคและอวกาศวิทยา

สถานีตรวจจับ ATLAS และ CMS จะรับหน้าที่ในการมองหาอนุภาค supersymmetricเพื่อทดสอบทฤษฎีในการเกิดขึ้นของสสารมืด

ธรรมชาติของธรรมชาติ
ไม่มีปฏิสสารบนโลกนี้หรอ?
เราอยู่บนโลกของสสาร ทุกอย่างในจักรวาลรวมถึงตัวเราเองถูกสร้างจากสสาร ปฏิสสาร เป้นเหมือนคู่ฝาแฝดของสสาร แต่มีขั้วไฟฟ้าอยู่ทางตรงกันข้าม ณ เวลาจักรวาลกำเนิดขึ้นควรจะปริมาณของสสารและปฏิสสารอยู่เท่า ๆ กันหลังจากการเกิดบิ๊กแบง แต่เมื่อสสารและปฏิสสารเจอกัน มันจะทำลายซึ่งกันและกัน แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงาน อย่างไรก็ตาม สสารบางส่วนหลงเหลือมาเป็นจักรวลาที่เราอยู่ทุกวันนี้ และแทบจะไม่มีปฏิสสารที่ให้ค้นเจออยู่ ทำไมธรรมชาติจึงมีความโน้มเอียงในการเลือกสสารมากว่าปฏิสสาร

สถานีตรวจจับ LHCb จะมองหาความแตกต่างระหว่างสสารและปฏิสสาร เพื่อตอบคำถามนี้ การทดลองครั้งก่อนสามารถสังเกตพฤติกรรมที่แตกต่างเล็กน้อยได้ แต่อะไรที่มองเห็นนั้นไม่เพียงพอที่จะเทียบเท่ากับความไม่เสมอภาคของสสารและปฏิสสารในจักรวาลได้

ความลับของบิ๊กแบง
สสารเป็นเหมือนอะไรในเสี้ยววินาทีหลังเกิดบิ๊กแบง
ทุกสิ่งในจักรวาลสร้างขึ้นจากสสาร และเชื่อว่าเกิดอนุภาคพื้นฐานหลายตัวที่มีความเข้มข้นและมีความร้อนสูงมาก ปัจจุบันนี้สสารทั่วไปในจักรวาลสร้างจากอะตอมซึ่งมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตรอนกับนิวตรอน ซึ่งทั้งสองอนุภาคนั้นเกิดจากการที่ quarks จับตัวกันโดยอนุภาคอีกตัวหนึ่งที่ชื่อว่า gluons พันธะนี้แข็งแรงมาก แต่ในช่วงเวลาก่อนที่จักรวาลจะถือกำเนิดนั้น สภาพแวดล้อมจะมีความร้อนสูงและพลังงานที่สูงเกินไปที่ gluons จะจับ quarks ไว้ได้ อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าช่วงเวลาเสี้ยววินาทีหลังการเกิดบิ๊กแบงของจักรวาล จะเกิดการผสมของ quarks และ gluons ที่มีความร้อนสูงและเข้มข้น เรียกว่า quark–gluon plasma

สถานีตรวจจับ ALICE จะถูกใช่้ในการสร้างสภาพแวดล้อมที่คล้ายกับชั่วเสี้ยววินาทีหลังเกิดบิ๊กแบง เพื่อทำการวิเคราะห์ถึงคุณสมบัติ quark–gluon plasma

โลกที่ซ้อนอยู่
มีมิติอื่นหรือโลกคู่ขนานหรือไม่
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) แสดงให้เห็นว่ามิติ 3 มิตินั้นมีความเกี่ยวข้องกับเวลา แต่มีทฤษฎีที่ตามมาที่หลังนำเสนอเรื่อง มิติที่ซ่อนอยู่ ของจักรวาลนั้นน่ามีอยู่จริง เช่น ทฤษฎี String ที่บอกเป็นนัยถึงการมีมิติของอวกาศอื่นที่ยังไม่เคยถูกพบ ซึ่งผลจากสถานีตรวจจับจะวิเคราะห์อย่างระมัดระวังเพื่อมองหาสัญญาณของมิติอื่น

การชนของอะตอมที่ CERN : ข้อเท็จจริง
นี้คือภาพย่อ ๆ ของเครื่องชนอะตอมที่ใหญ่ที่สุดในโลก

LHC จะเร่งโปรตอนของไฮโดรเจนหรือไอออนตัวนำให้มีความเร็ว 99.9999% ของความเร็วแสง การทดลองจะมีขึ้นภายในอุโมงค์วงแหวนขนาด 27 กิโลเมตรลึกลงไปใต้ดิน 175 เมตร โดยอุโมงค์อยู่ระหว่างฝรั่งเศษและสวิตส์เซอร์แลนด์

ลำอนุภาคจะวิ่งในทิศทางสวนกัน ด้วยเครื่องเหนี่ยวนำแม่เหล็กยิ่งยวด ที่จะบีบ ให้ลำอนุภาคที่เป็นคลื่นเข้าไปชนกันในห้องขนาดใหญ่ 4 ห้อง การชนดังกล่าวจะก่อให้เกิดความร้อนที่สูงขึ้น 100,000 เท่าของดวงอาทิตย์ เพื่อเป็นการจำลองสภาวะหลังบิ๊กแบงเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อน

ห้องที่จะเกิดการชนเป็นตัวจับที่จะสร้างภาพ 3 มิติของอนุภาคที่มีระดับต่ำกว่าอะตอม ที่แตกออกมาจากโปรตอนที่แตกตัว ร่องรอยดังกล่าวจะถูกวิเคราะห์อย่างละเอียดเพื่อดูการเคลื่อนที่ คุณสมบัติของอนุภาคใหม่ ๆ ที่สามารถทำให้เข้าใจในสสารได้

*ในเกียร์สูงสุด LHC จะสร้างการชนพันล้านครั้งต่อวินาที เหนือพื้นดินขึ้นไปจะมีฟาร์มคอมพิวเตอร์ 3,000 เครื่องคอยเก็บข้อมูล ที่มากที่สุดในโลก และจะย่อยจำนวนข้อมุลที่ต้องเก็บลงเป็น 100 การชนที่สนใจ ข้อมูลนี้จะส่งไปคอมพิวเตอร์ กริดของสถาบันและมหาวิทยาลัยทั่วโลกเพื่อวิเคราะห์ ซึ่งเป็น www ขนาดเล็ก ด้วยตัวมันเอง

*อุโมงค์ เป็นห้องแช่แข็งที่ใหญ่ที่สุดในโลก แม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวด จะสร้างความเย็นที่อุณหภูมิต่ำถึง -271 องศาเซลเซียส ซึ่งเย็นกว่าส่วนที่ลึกที่สุดในอวกาศ ซึ่งทำให้ทุกอย่างเกิดความต้านทาน

*ห้องที่เกิดการชนมีระดับที่ใหญ่มาก ห้องที่ใหญ่ที่สุดเรียกว่า ATLAS ยาว 46 เมตร และสูง 25 เมตร มีน้ำหนัก 7,000 ตัน มีสายเคเบิลยาวรวม 3 ,000 กิโลเมตร ใช้หิน 300,000 ตันและปูนอีก 50,000 ตันในการก่อสร้างห้องที่ครอบ ATLAS ไว้ ATLAS จะสร้างข้อมูลดิบ 3,200 เทราไบต์

*ในการทดลอง 10 ชั่วโมงที่มีขึ้น ลำอนุภาคจะเดินทางมากกว่า 10 พันล้านกิโลเมตร มากพอที่จะไปดาวเนปจูนแล้วกลับมา ที่ความเข้มอนุภาคเต็มกำลัง แต่ละลำอนุภาคจะมีพลังงานเท่ากับรถที่เดินทาง 1,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง LHC จะใช้ไฟ 120 Mwatts เท่ากับไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ในเจนีวา

*การชนใน LHC จะสร้างพลังงาน 14 TeV เป็นพลังงานความเข้มข้นสูงแต่มีระดับที่เล็กมากในความจริง ซึ่ง 1 TeV เท่ากับพลังงานที่ยุงใช้บิน ซึ่งไม่มีความเสี่ยงใด ๆ

*LHC ใช้เงินในการสร้าง 5.46 พันล้านดอลลาห์สหรัฐ


จุดต่อไป: มิติที่ 4 โดยการทดลองของ LHC

อีก 50 ประเทศได้มีส่วนร่วมกับโครงการนี้ อิสราเอลเป็นชาติหนึ่งที่มีส่วนร่วมมาก โดยมหาวิทยาลัยเทล อาวิฟทำหน้าที่สร้างชิ้นส่วนที่สำคัญ คือการก่อสร้างอุโมงค์ของลำอนุภาค ซึ่งอยุ่ใต้ดินลงไป และจะเริ่มเดินเครื่องในเดือนนี้ ซึ่งจะทำให้วิทยาศาสตร์จะมีการเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ตลอดกาล

เข้าถึงใจกลางของสสาร
ถ้าทุกอย่างเป็นไปตามแผนการ เครื่องเหนี่ยวนำแม่เหล็กยิ่งยวด ใน collider จะยิงอนุภาคเข้าไปในอุโมงค์ขนาด 17 ไมล์ ให้เดินทางด้วยความเร็วแสง หลังจากนั้นนักวิจัยจะทำการให้อนุภาคชนกัน ซึ่งเป็นการทำการจำลองเสี้ยววินาทีหลังจากการเกิด บิ๊กแบงครั้งแรก ว่าเกิดอะไรขึ้น

Prof. Erez มีส่วนร่วมในการออกแบบและสร้างห้องกระตุ้นสำหรับ ATLAS ซึ่งเป็น 1 ใน 2 เครื่องตรวจจับใน collider และเป็นชิ้นส่วนสำคัญที่ทำให้เครื่องจักรตัดสินใจได้ว่า ข้อมูลไหนจะถูกบันทึกไว้และข้อมูลไหนจะถูกทิ้งไป ซึ่งเป็นข้อมูลที่เกิดจากการชนระดับอะตอม 1 พันล้านครั้งต่อวินาที ไม่มีตัวเก็บข้อมูลไหนในจักรวาลที่จะเก็บข้อมูลปริมาณมหาศาลแบบนี้ เมื่อบรรจุข้อมูลลงไปทั้งหมด

ขอให้ “Z*” จงสถิตย์กับคุณ
Prof. Erez จะติดตามอย่างใกล้ชิดว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อลำอนุภาคโปรตอนเกิดการชนในความรวดยิ่งยวด ในขณะที่อนุภาคที่มองไม่เห็นต่าง ๆ จะออกมาแล้วทิ้งร่องรอยเหมือนลายน้ำเอาไว้ตามที่คาดหลังจากการชน นักวิจัยเชื่อว่าอนุภาคบางตัวจะหนีไปจากการตรวจจับ โดยเข้าสู่มิติอื่น

นี่เป็นทฤษฏีที่ผิดธรรมชาติ ซึ่งเป็นการอ้างจากการที่ไม่มีใครสามารถอธิบายได้ว่าทำไมแรงดึงดูดมันถึงอ่อนมาก ซึ่งเป็นไปได้ว่าสสารส่วนใหญ่ที่รู้จักจะถูกจับอยู่ในมิติทั้ง 3 มิติ แต่แรงดึงดูดอาจถูกเหนี่ยวนำไปยังมิติอื่น ทำให้เกิดแรงดึงดูดที่น้อยลง ซึ่งนักวิจัยกำลังมองอนุภาคที่ถูกส่งด้วยแรงเหนี่ยวนำดังกล่าว โดยอนุภาคนั้นคือ “Z” หรือ “zee star.” นักฟิสิกส์ตั้งทฤษฎีว่า Z สามารถเคลื่อนที่ระหว่างโลก 3 มิติของเราไปยังมิติที่ซ่อนอยู่ได้

ความเชื่อเรื่องมิติใหม่นี้เกินกว่าจะเป็นนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ความเป็นไปได้ที่จะมีอยู่นั้นมีความเป็นจริงได้ นักวิจัยเชื่อว่ามิติอื่นดังกล่าวอาจจะอยู่ในมิติคู่ขนานกับเรา แต่จนถึงปัจจุบันมิติดังกล่าวมีความเล็กมากที่จะตรวจพบได้จากการทดลอง ในครั้งแรกนักวิจัยสามารถเข้าถึงระดับพลังงานใหม่ในห้องทดลอง ซึ่งเป็นระดับของ Tera electron volt และนักวิจัยหวังที่จะค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ๆ ในนั้น ณ ที่พลังงานสูง นักวิจัยสามารถที่จะกระตุ้นอนุภาคให้กระโดดข้ามมิติและวัดการหายไปของพลังงานหรือมวล หรือการปรากฎของระดับการกระตุ้นใหม่ของอนุภาคได้

แขวนไว้กับการสั่นทฤษฎี String
นักวิจัยตกอยู่กับสาขาของทฤษฎีฟิสิกส์สาขาหนึ่งที่ชื่อว่า ทฤษฎี string ทฤษฎีนี้นำเสนอว่าสสารจะสร้าง string การสั่นของพลังงาน บ่งชี้ถึงมิติที่ 6 หรือมากกว่านั้นที่เราไม่สามารถเห็นผลกระทบจากทุกสิ่งที่เรากระทำหรือมองเห็น สิ่งนี้เป็นโมเดลที่ดึงดูดนักฟิสิกส์ และต้องการผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์ในการตอบปัญหาที่ไม่สามารถตอบได้นี้ในฟิสิกส์อนุภาค

กันยายนนี้ นักฟิสิกส์จากทั่วโลกจะไปเฝ้าติดตามสิ่งที่จะเกิดขึ้นหลังจากการยิงลำอนุภาคลำแรกวิ่งวนใน collider แต่การยิงด้วยพลังงานที่สูงเพื่อเกิดการชนจะเริ่มในเดือนตุลาคมนี้