จากตอนที่แล้ว ที่กล่าวถึงจุดประสงค์ของการสร้าง LHC (ตอนที่ 2) ว่าจะใช้เพื่อทดลองอะไร มาตอนนี้เราจะมาทำความเข้าใจในการทำงานของ LHC และการทดลองที่จะมีขึ้นทั้งหมดกัน
LHC ทำงานอย่างไร
LHC เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและทรงกำลังที่สุดในโลก ซึ่งเป็นศูนย์รวมเครื่องเร่งอนุภาคล่าสุดของ CERN ประกอบด้วยเครื่องเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวดแบบวงแหวนขนาดเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร และเครื่องเร่งอนุภาคต่ออื่น ๆ เพื่อเร่งพลังงานของอนุภาคตลอดระยะการเดินทาง
ภาพศูนย์รวมเครื่องเร่งอนุภาคของ CERN
ข้างในเครื่องเร่งอนุภาค ลำอนุภาค 2 ลำ จะเดินทางในความเร็ว 99.9999% ของความเร็วแสง ด้วยพลังงานที่สูงมาก ก่อนที่จะพุ่งเข้าชนกัน ลำอนุภาคจะเดินทางในทิศทางตรงกันข้ามกันในท่อลำอนุภาคที่แยกจากกัน ซึ่งท่อทั้ง 2 จะอยู่ในที่ที่เป็นสุญญากาศสูงมาก ลำอนุภาคจะถูกเหนี่ยวนำทิศทางภายในวงแหวนเครื่องเร่งอนุภาคด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสูง โดยการใช้เครื่องเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวด ซึ่งสร้างมากจากขอของสายไฟฟ้าแบบพิเศษทำมาจาก niobium-titanium ที่สามารถทำงานในสภาวะเหนี่ยวนำยิ่งยวดได้ มีประสิทธิภาพในการเหนี่ยวนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานหรือไม่สูญเสียพลังงานออกไป ซึ้งนี้ต่อการระบบหล่อเย็นที่ดีเพื่อแช่เย็นแม่เหล็ก จึงใช้ ฮีเหลียมเหลวยิ่งยวด (superfluid helium) ซึ่งจะลดอุณหภูมิไปถึง 0 องศาสมบูรณ์ คือ ‑271°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่หนาวกว่าในอวกาศ ด้วยเหตุผลนี้การต่อเครื่องเร่งอนุภาคจำนวนมากก็เพื่อส่งระบบหล่อเย็นได้ง่ายและทั่วถึงกัน ซึ่งจะหล่อเย็นแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวดทั้งหมดเหมือนกับอุปกรณ์ชิ้นอื่น ๆ
แม่เหล็กจำนวนนับพันในรูปแบบและขนาดต่าง ๆ กัน ถูกใช้เพื่อบังคับให้ลำอนุภาคเคลื่อนที่รอบ ๆ เครื่องเร่งอนุภาค นี่รวมแม่เหล็กไฟฟ้าแบบ dipole 1,232 ชิ้นที่มีความยาว 15 เมตร ที่ถูกใช้เพื่อเบี่ยงเบนลำอนุภาค และแม่เหล็กไฟฟ้าแบบ quadrupole 392 ชิ้น และแต่ละชิ้นยาว 5-7 เมตร เพื่อปรับลำอนุภาค ก่อนที่อนุภาคจะชนกัน แม่เหล็กอีกชนิดหนึ่งจะถูกใช้เพื่อบีบให้อนุภาคเข้าใกล้กันมากขึ้นเพื่อเพิ่มโอกาสในการชน อนุภาคจะมีขนาดเล็กมากซึ่งภาระที่จะทำให้มันชนกันนั้นเปรียบเหมือนกับการยิงเข็มที่ห่างกัน 10 กิโลเมตรให้มาพุ่งชนกันตรงกลางพอดี
ภาพแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวด ในอุโมงค์ LHC ภาพจาก Boston.com
ณ ห้องควบคุมสำหรับเครื่องเร่งอนุภาค จะมีหน้าที่ให้บริการและโครงสร้างเทคนิคพื้นฐานซึ่งตั้งอยู่ในชั้นบนของศูนย์กลางควบคุมของ CERN จากนี้ลำอนุภาคภายใน LHC จะถูกสร้างเพื่อชนในสถานีตรวจจับ 4 สถานีรอบ ๆ วงแหวนเร่งอนุภาค ซึ่งจะตรงกับต่ำแหน่งของเครื่องตรวจจับอนุภาค
ภาพหน้าจอเครื่องควบคุม LHC ภาพจาก digg.com
ภาพศูนย์กลางควบคุมของ CERN
การทดลอง 6 การทดลองใน LHC และสถานีตรวจจับทั้งหมด 4 สถานี
ภาพสถานีที่จะเกิดการทดลอง 6 การทดลองและสถานีตรวจจับทั้ง 4 สถานี
ภาพแผนผังสถานีตรวจจับทั้งหมด
6 การทดลองที่จะขึ้นที่ LHC จะทำการทดลองโดยความร่วมมือระหว่างนานาชาติ นำนักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกมาอยู่รวมกัน ทุกการทดลองนั้นมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง จึงต้องใช้เครื่องตรวจจับของแต่ละอนุภาคเอง
2 การทดลองที่ใหญ่ที่สุด จะอยู่ที่สถานีตรวจจับ ATLAS และ CMS ซึ่งจะมีหน้าที่ตรวจจับทั่วไปเพื่อวิเคราะห์อนุภาคจำนวนมากมายมหาศาลที่สร้างขึ้นจากการชนในเครื่องเร่งอนุภาค สถานีตรวจจับนี้ถูกออกแบบมาเพื่อค้นหาขอบุขตที่ไกลที่สุดของความเป็นไปได้ทางฟิสิกส์ การมีสถานีตรวจจับที่ออกแบบแยกออกจากกันทำให้มีความสำคัญในการยืนยันข้ามกันในการค้นพบครั้งใหม่ที่เกิดขึ้น
2 การทดลองขนาดกลาง ALICE และ LHCb จะมีสถานีตรวจจับพิเศษสำหรับการวิเคราะห์การชนกันใน LHC ที่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ของปรากฎการณ์ประหลาด
2 การทดลองขนาดเล็ก TOTEM และ LHCf การทดลองทั้ง 2 นี้ถูกออกแบบมุ่งไปที่ อนุภาคนำ (โปรตรอนหรือไอออนหนัก) อนุภาคเหล่านี้จะวิ่งชนแบบเฉียดกันละกันในสภาพเป็นลำอนุภาคการชนมากกว่าที่จะเป็นการชนโดยตรง
สถานีตรวจจับ ATLAS CMS ALICE และ LHCb ถูกติดตั้งลงไปในโพรงใต้ดิน 4 โพรงขนาดยักษ์ เรียงรายรอบวงแหวนของ LHC สถานีตรวจจับที่จะถูกใช้โดยการทดลอง TOTEM จะอยู่ใกล้กับสถานีตรวจจับ CMS และการทดลอง LHCf จะใช้สถานีตรวจจับใกล้สถานีตรวจจับ ATLAS
ALICE
A Large Ion Collider Experiment
สำหรับการทดลอง ALICE LHC จะทำการชนไอออนตะกั่วเพื่อจำลองสภาพหลังการเกิดบิ๊กแบงขึ้นใหม่อีกครั้งในสภาพแวดล้อมแบบห้องทดลอง ข้อมูลที่ได้จะทำให้นักฟิสิกส์สามารถศึกษาสถานะของสสารที่รู้จักในนาม quark‑gluon plasma ซึ่งเชื่อว่ามีอยู่จริงตอนหลังจากบิ๊กแบงระเบิดเสี้ยววินาที
สสารทั่วไปในจักรวาลสร้างจากอะตอม และแต่ละอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียส ที่สร้างมากจากโปรตรอนและนิวตรอน และมีอิเล็กตรอนล้อมรอบอยู่ โปรตรอนและนิวตรอนนั้นต่างสร้างมาจาก quarks ซึ่งจะจับกันเองโดยมีอนุภาคชื่อ gluons คอยเชื่อมไว้ การที่มันมีพันธะที่แข็งแรงที่ไม่น่าเชื่อนี้แสดงว่าการที่ quarks แยกออกจากกันนั้นยังไม่มีการพบมาก่อน
ภาพระบบติดตามภายใน ALICE รูปจาก Boston.com
การชนที่ LHC จะสร้างความร้อนขึ้น 100,000 เท่าของใจกลางดวงอาทิตย์ นักฟิสิกส์เชื่อว่าในสภาพแบบนั้น โปรตรอนและนิวตรอนจะหลอมและปลดปล่อยให้ quarks เป็นอิสระจาก gluons ซึ่งนี้น่าจะสร้างสถานะที่เรียกว่า quark-gluon plasma ซึ่งน่าจะเกิดกลังบิ๊กแบงเมื่อจักรวาลยังคงมีอุณหภูมิสูงมากอยู่ ความร่วมมือที่การทดลอง ALICE ก็เพื่อที่จะศึกษาการขยายตัว quark-gluon plasma และการเย็นตัวลง การสังเกตความเป็นไปนี้จะให้เรารู้ว่าสสารก่อกำเนิดจักรวาลได้อย่างไร
มีนักวิจัยที่ร่วมมือกันวิจัยที่ ALICE กว่า 1,000 คนจาก 94 สถาบัน จาก 28 ประเทศ (ข้อมูลปี 2006)
สถานีตรวจจับ ALICE จะทำหน้าที่ตรวจจับในการทดลอง ALICE
ภาพเปรียนเทียบสถานีตรวจจับ ALICE กับคน
- ขนาด: ยาว 26 เมตร สูง 16 เมตร กว้าง 16 เมตร
- น้ำหนัก: 100,000 ตัน
- การออกแบบ: มีช่องว่างตรงกลางบวกแขนกลที่จะผลัก spectrometer วัด muon
- ที่ตั้ง: St Genis-Pouilly ในฝรั่งเศส
ATLAS
A Toroidal LHC ApparatuS
ATLAS เป็น 1 ใน 2 สถานีตรวจจับงานทั่วไปของ LHC สถานีนี้จะถูกใช้่ศึกษาหลายอย่างในฟิสิกส์ รวมถึงการค้นหา Higgs boson มิติอื่น และอนุภาคที่ทำให้เกิดสสารมืด ด้วยเป้าหมายเดียวกับ CMS ATLAS จะบันทึกการวัดที่คล้ายกันของอนุภาคที่เกิดจากการชนเช่น วิถีการวิ่ง พลังงาน และเอกลักษณ์เฉพาะ อย่างไรก็ตามการทดลอง 2 การทดลองนี้ต่างมีสมมติฐานในผลที่ต่างกัน และมีการออกแบบระบบแม่เหล็กของสถานีตรวจจับต่างออกไปด้วย
ภาพโพรง ATLAS ในฝั่ง A ในขณะก่อสร้าง รูปจาก Boston.com
คุณสมบัติหลักของ ATLAS คือการมีระบบแม่เหล็กรูปทรงโดนัทขนาดยักษ์ ซึ่งประกอบด้วยขดแม่เหล็กยิ่งยวดยาว 25 เมตร รวมตัวกันเป็นทรงกระบอกรอบ ๆ ท่อลำอนุภาคผ่านแกนกลางของสถานีตรวจจับ ในระหว่างการทำงาน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องว่างทรงกระบอกตรงกลางนั้นจะถูกสร้างโดยขดแม่เหล็กยิ่งยวด
จะมีนักวิทยาศาสตร์ 1,700 คนจาก 159 สถาบัน จาก 37 ประเทศทำงานที่ ATLAS (ข้อมูลปี 2006)
ภาพสถานีตรวจจับ ATLAS
- ขนาด: ยาว 46 เมตร สูง 25 เมตร กว้าง 25 เมตร ซึ่งเป็นสถานีตรวจจับที่ใหญ่ที่สุดในโลกเท่าที่เคยสร้างมา
- น้ำหนัก: 7,000 ตัน
- การออกแบบ: ช่องว่างตรงกลางบวกส่วนปิด
- ที่ตั้ง: เมย์ลิน สวิตส์เซอร์แลนด์
CMS
Compact Muon Solenoid
การทดลอง CMS จะใช้สถานีตรวจจับทั่วไปในการศึกษาหลายอย่างในฟิสิกส์ รวมถึงการหา Higgs boson มิติอื่น และอนุภาคที่ทำให้เกิดสสารมืด ถึงแม้ว่าจะมีเป้าหมายในการศึกษาเดียวกับการทดลอง ATLAS แต่การทดลอง CMS จะใช้เทคนิคและระบบแม่เหล็กของเครื่องตรวจจับที่ออกแบบต่างออกไป
ภาพคนงานกำลังติดตั้งส่วนติดตามในใจกลางของ CMS รูปจาก Boston.com
สถานีตรวจจับ CMS สร้างขึ้นรอบจากวงขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดยักษ์ ซึ่งจะมีรูปร่างเป็นทรงกระบอกของขดสายเคเบิลตัวเหนี่ยวนำยิ่งยวด ที่จะใช้สร้างสนามแม่เหล็กที่มีความแรง 4 เทสลา ซึ่งเท่ากับ 100,000 เท่าบนโลก ในสนามแม่เหล็กจะถูกควบคุมด้วยเหล็ก 'yoke' ที่ทำหน้าที่เป็นส่วนบรรจุของสถานีตรวจจับ มีน้ำหนัก 12,500 ตัน คุณสมบัติที่ไม่ธรรมดานี้ของสถานีตรวจจับ CMS นั้นคือแทนที่จะเป็นการสร้างสถานีตรวจจับขึ้นในใต้ดินทั้งหมด แต่กลับเหมือนสถานีตรวจจับขนาดยักษ์อื่นในการทดลองของ LHC นั้นคือสร้างขึ้นบนดินเป็นชิ้นแล้วนำไปประกอบใต้ดินใน
มีนักวิทยาศาสตร์กว่า 2,000 คนทำงานที่ CNS ซึ่งมาจาก 135 สถาบัน จาก 47 ประเทศ (ข้อมูลปี 2006)
ภาพสถานีตรวจจับ CMS
- ขนาด: ยาว 21 เมตร สูง 15 เมตร กว้าง 15 เมตร
- น้ำหนัก: 12,500 ตัน
- การออกแบบ: ช่องว่างตรงกลางบอกส่วนปิด
- ที่ตั้ง: Cessy ฝรั่งเศส
LHCb
Large Hadron Collider beauty
การทดลอง LHCb จะช่วยนักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าทำไมมนุษย์ถึงอาศัยในจักรวาลที่ประกอบด้วยสสารแต่ไม่ใช่ ปฏิสสาร การทดลองนี้เป็นการศึกษาที่พิเศษในส่วนของความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างสสารและปฏิสสาร โดยศึกษาในอนุภาคที่เรียกว่า 'beauty quark' หรือ'b quark'
ภาพสถานีตรวจจับ LHCb
แทนที่จะอยู่ล้อมรอบจุดที่เกิดการชนของอนุภาคทั้งหมดโดยการครอบของสถานีตรวจจับ การทดลอง LHCb กลับใช้ชุดของสถานีตรวจจับย่อยเพื่อตรวจจับอนุภาคนำทั้งหลาย สถานีตรวจจับย่อยตัวแรกจะอยู่ใกล้จุดการชนของอนุภาคมากที่สุด สถานีตรวจจับตัวต่อมาจะอยู่ถัดจากตัวแรก และถัดมากันเรื่อย ๆ ซึ่งรวมแล้วมีความยาวกว่า 20 เมตร
การที่ชนิดของ quarks ที่แตกต่างกันอย่างมากมายจะถูกสร้างขึ้นจาก LHC ก่อนที่จะสลายตัวอย่างรวดเร็วไปเป็นรูปแบบอื่น เพื่อจะจับ 'b quark' ได้ LHCb มีการพัฒนาสถานีตรวจจับติดตามแบบเคลื่อนที่ตั้งอยู่ใกล้กับส่วนที่ลำอนุภาควิ่งใน LHC
LHCb มีนักวิทยาศาสตร์ 650 คนจาก 48 สถาบัน จาก 13 ประเทศ (ข้อมูล 2006)
ภาพสถานีตรวจจับ LHCb
- ขนาด: ยาว 21 เมตร สูง 10 เมตร กว้าง 13 เมตร
- น้ำหนัก: 5,600 ตัน
- การออกแบบ: มี spectrometer ด้านหน้าพร้อมตัวตรวจจับแบบแผ่นราบ
- ที่ตั้ง: Ferney-Voltaire ฝรั่งเศส
TOTEM
TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement
การทดลอง TOTEM เป็นการศึกษาอนุภาคนำเพื่อมุ่งไปในส่วนของฟิสิกส์ที่ไม่สามารถทำการทดลองแบบทั่วไปได้ ด้วยการที่ต้องศึกษาแบบนี้การทดลองนี้จึงจะวัด ดูผลกระทบและดูขนาดของโปรตรอน อีกทั้งยังตรวจสอบความแม่นยำของความเข้มลำอนุภาคใน LHC
ภาพห้องสุญญากาศของการทดลอง TOTEM ภาพจากhip.fi
เพื่อทำการทดลองนี้ TOTEM จะต้องสามารถตรวจจับอนุภาคที่สร้างขึ้นที่อยู่ใกล้กับลำอนุภาคใน LHC ได้ ซึ่งจะรวมถึงศูนย์สถานีตรวจจับที่ออกแบบเป็นห้องสุญญากาศเรียกว่า 'Roman pots' ซึ่งจะต่อกับท่อลำอนุภาคใน LHC Roman pots 8 ตัวจะอยู่ด้วยกันเป็นคู่ 4ที่ใกล้ ๆ จุดการชนของอนุภาคในการทดลอง CMS
อย่างไรก็ตาม 2 การทดลองดังกล่าวเป็นอิสระต่อกัน TOTEM จะเติมเต็มผลการทดลองที่ได้จากสถานีตรวจจับ CMS และการทดลองอื่นใน LHC
การทดลอง TOTEM มีนักวิทยาศาสตร์ทำงาน 50 คนจาก 10 สถาบัน จาก 8 ประเทศ
- ขนาด: ยาว 440 เมตร สูง 5 เมตร กว้าง 5 เมตร
- น้ำหนัก: 20 ตัน
- การออกแบบ: Roman pots และตัวตรวจจับ GEM กับห้องแผ่น cathode
- ที่ตั้ง: Cessy ฝรั่งเศส
LHCf
Large Hadron Collider forward
การทดลอง LHCf ใช้อนุภาคนำที่สร้างภายใน LHC มาเป็นแหล่งเพื่อจำลองรังสีคอสมิกในสภาพแวดล้อมห้องทดลอง รังสีคอสมิกเป็นรังสีธรรมชาติที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุจากภายนอกอวกาศที่วิ่งชนชั้นบรรยากาศของโลกอยู่เป็นประจำ มันจะชนกันนิวคลิไอในชั้นบรรยากาศส่วนบน ทำให้เกิดอนุภาคย่อยต่าง ๆ ตกลงมาพื้นโลก
การศึกษาว่าการชนใน LHC ทำให้เกิดอนุภาคย่อยอย่างไร จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์แปลและปรับความเที่ยงตรงของการทดลองรังสีคอสมิกขนาดใหญ่ได้ ซึ่งการทดลองขนาดใหญ่อาจกินพื้นที่หลายพันกิโลเมตร
LHCf มีนักวิทยาศาสตร์ทำการทดลอง 22 คนจาก 10 สถาบันจาก 4 ประเทศ (ข้อมูลปี 2006)
ภาพสถานีตรวจจับ LHCf ตัวหนึ่งที่กำลังสร้าง ภาพจาก stelab
- ขนาด: สถานีตรวจจับ 2 ตัว ยาว 30 เซนติเมตร สูง 80 เซนติเมตร กว้าง 10 เซนติเมตร
- น้ำหนัก: 40 กิโลกรัมต่อตัว
- การออกแบบ:
- ที่ตั้ง: เมย์ลิน สวิตส์เซอร์แลนด์ใกล้กับ ATLAS
ที่มาข้อมูล - cern, uslhc และ wikipedia
ตอนหน้าเราจะมาดูว่าข้อมูลที่ได้จากการทดลองทั้งหมดจะมีการนำไปประมวลผลและเก็บอย่างไร และความปลอดภัยใน LHC รวมถึงผลกระทบต่อสังคมไทย ซึ่งเป็นตอนสุดท้ายครับ
