เมื่อพูดถึงเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก ทุกคนก็จะนึกถึงอุโมงค์ยาว 27 กิโลเมตร สถานที่ตั้งเดิมของเครื่องเร่งอนุภาค LEP หรือ Large Electron Positron Collider ที่ภายหลังถูกปรับปรุงให้กลายมาเป็น Large Hadron Collider เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่ใหญ่ที่สุดในโลกปัจจุบัน ในปี 2012 LHC ได้สร้างการค้นพบยืนยันการมีอยู่ของอนุภาค Higgs Boson ซึ่งสร้างความรู้ความเข้าใจด้านฟิสิกส์อนุภาคให้นักฟิสิกส์ และทำให้ Peter Higgs ผู้ที่ทำนายการมีอยู่ของมันได้รับรางวัลโนเบลในปี 2013
ล่าสุดวันที่ 15 มกราคม 2018 CERN ก็ได้ประกาศ Concept Design แรกของ FCC หรือ Future Circular Collider เครื่องเร่งอนุภาคตัวใหม่ที่จะมาทำหน้าที่แทน LHC
เครื่องเร่งอนุภาค เป็นอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่มีราคาแพงที่สุดและสร้างได้ยากมาก เราวัดคุณภาพของมันที่พลังงานที่มันเร่งอนุภาคได้ ซึ่งทีหน่วยเป็น eV หรืออิเล็กตรอนโวลต์ เครื่องเร่งอนุภาค LHC เคยเร่ง “Proton Beam” หรือลำอนุภาคโปรตรอนได้พลังงานสูงสุดถึง 7 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ หรือ 7 TeV ทำให้พลังานที่ได้จากการชนกันของลำอนุภาค 2 ลำเป็น 14 TeV ยิ่งพลังงานสูง เราก็จะยิ่งมีโอกาสเจออนุภาคใหม่ ๆ ที่เป็นผลผลิตจากการชน เราจะรู้ได้ผ่านการตรวจจับของ Detector ที่ใช้เทคนิคต่าง ๆ ในการ “วัดค่า” พลังงานของอนุภาคที่เกิดจากการชนและศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของมันเช่น การเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก
ก่อนหน้านี้มีข่าวว่าประเทศจีนก็จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้พลังงานสูงกว่า LHC จาก China’s Institute of High Energy Physics ที่ประกาศว่าจะสร้าง Circular Electron Positron Collider เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่เร่ง Electron และ Position อนุภาคปฏิตรงข้ามของมันให้มาชนกัน จากเอกสารบอกว่า CEPC จะสามารถสร้างการชนของ Electron และ Positron ณ พลังงานต่อ Beamline อยู่ที่ 120 GeV ซึ่งนับว่าสูงมาสำหรับอนุภาคที่เล็กและมีพลังงานน้อยอย่าง Electron และ Positron
แน่นอนว่าทั้ง CEPC และ FCC ยังคงเป็น Concept Design หรือการออกแบบข้างต้นก่อน แต่แค่นี้ก็ทำให้เราพอเห็นอนาคตของวงการฟิสิกส์อนุภาคได้แล้ว
Future Circular Collider
เครื่องเร่งอนุภาคตัวใหม่ที่อยู่ในขั้น Concept Design นี้สิ่งแรกที่น่าทึ่งของมันเลยก็คือขนาด เราได้รู้จักกับ Tevatron เครื่องเร่งอนุภาคสำหรับเร่งอนุภาคในกลุ่มแฮดรอน (โปรตรอน และนิวตรอน แต่เราเร่งนิวตรอนไม่ได้เพราะไม่มีประจุ) ที่เคยเร่ง Proton และปฏิอนุภาค Anti-Proton มาชนกัน ณ พลังงาน 2 TeV ที่ปัจจุบันข้อมูลของมันก็ยังศึกษากันไม่หมด แม้ว่าจะเลิกใช้ไปแล้ว เราได้รู้จักกับ LHC ที่ชนอนุภาค Proton กับ Proton กัน ณ พลังงาน 14 TeV และเร่ง Electron กับ Positron มาชนกันที่พลังงาน 209 GeV (สมัยที่ยังเป็น LEP) แต่ FCC จะทำให้เครื่องเร่งอนุภาคทั้ง 2 ตัวกลายเป็นของเล่นไปเลย
FCC จะมีความยาวทั้งหมด 100 กิโลเมตร เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก หน้าที่ของมันยังคงเร่งอนุภาคของหนักอย่าง Proton (แต่ก็ไม่หนักที่สุดนะ เราเคยเร่ง Lead-ion หรืออะตอมของธาตุกะกั่วมาแล้ว ณ พลังงาน 5 TeV ) ซึ่งการศึกษาอนุภาคที่เป็นผลผลิตจากการชนกันของอนุภาคกลุ่มแฮดรอนอย่าง Proton ยังคงเป็นที่สนใจแก่นักฟิสิกส์ FCC จะสร้างการชนที่พลังงาน 100 TeV (แต่ละลำมีพลังงาน 50 TeV)
ในส่วนของอนุภาคที่เล็กกว่ามาก ๆ อย่าง Electron และ Positron (ซึ่งทำให้มันเป็นคู่แข่งกับ CEPC ของจีนอย่างปฏิเสธไม่ได้) ก็สามารถเร่งให้ได้พลังงานจากการชน 90-350 GeV ซึ่งแอบ ๆ มากกว่า CEPC ของจีนที่ถ้าอ้างจากรายงานด้านบนจะอยู่ที่ประมาณ 200 GeV นิด ๆ
ถ้าเราจะลองคิดเล่น ๆ ว่า FCC ยาวแค่ไหนให้ลองคิดว่าอนุภาคจะถูกเร่งให้ได้ความเร็วประมาณ 99.99% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ แสงจะสามารถเดินทางได้ถึง 3,000 กิโลเมตร ใน 1 วินาที นั่นหมายความว่าใน 1 วินาทีอนุภาคจะวิ่งวนรอบ FCC ได้มากถึง 30 รอบ ก็ไม่รู้ว่าจะพูดยังไงดีว่า FCC มันใหญ่ หรือว่าแสงมันไว แต่ก็เป็นหนึ่ง Facts ที่น่าตื่นเต้นพอสมควร
FCC จะยังคงตั้งอยู่บนพื้นที่เดิมของ CERN แต่กินพรมแดนใต้ดินฝรั่งเศสไปเยอะพอสมควร และถ้าภาพด้านบนคือแหล่งก่อสร้างจริง ๆ ของ FCC มีบางส่วนที่จะต้องขุดลงไปใต้ทะเลสาบเจนีวาด้วย (น่าตื่นเต้นมาก) ภาพบนคือภาพเปรียบเทียบขนาดของ FCC กับขนาดของ LHC ณ ที่ตั้งจริงของมัน ซึ่งกว่าเราจะได้เห็น FCC ทำงาน หรือ First Beam อาจจะต้องรอยาว ๆ ถึงปี 2050 เลย เพราะ Concept Design Report นี้ก็ตามชื่อว่าเป็นแค่ Concept ที่ถูกเขียนขึ้นมาโดยอ้างอิงจากความต้องการทางฟิสิกส์ปัจจุบันเท่านั้น ยังไม่ได้อนุมัติสร้างหรือศึกษาอะไรเพิ่มเติม
สำหรับ Concept Design นี้จะถูกนำไปพูดคุยเพื่อร่างแผน European strategy for particle physics ซึ่งจะต้องผ่านการอนุมัติจากสภาสหภาพยุโรป และศึกษาร่วมกับมหาวิทยาลัยอีกหลายมหาวิทยาลัย และหน่วยงานวิจัยอีกหลายหน่วยงาน
สงครามเร่งอนุภาค CEPC vs. LHC vs. FCC
อันที่จริงถามว่าข้อมูลจ่ก LHC และ Tevatron เยอะแค่ไหน ต้องบอกเลยว่า ณ ตอนนี้เรายังเอามาวิเคราะห์ไม่หมด ซึ่งก็จะคล้ายกับวงการอวกาศพอสมควร ดังนั้น ถ้า CEPC หรือ FCC จะใช้เวลาอีกนับสิบปีในการสร้างก็อาจจะไม่ใช่ปัญหาสำหรับวงการฟิสิกส์มากนัก จริง ๆ แม้กระทั่งเทคโนโลยีที่จะถูกนำมาใช้ใน FCC ก็ยังอยู่ระหว่างการศึกษา เช่น การสร้างสภาพแม่เหล็กความเข้มข้น 16 เทสล่า การสร้าง Superconductor ที่มีความแรงมาก ๆ หรือการสร้าง Detector ที่ละเอียดกว่าทั้ง CMS และ ATLAS ที่เราใช้กันอยู่กับเครื่อง LHC ทำให้ Concept Design ของ FCC นั้นจะช่วยผลักดันขีดจำกัดทั้งด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมให้ดำเนินอยู่ตลอด
ความหวังของทั้ง FCC และ CEPC คือการสร้างการค้นพบในส่วนที่เรียกว่าเป็น New Physics ที่เราไม่เคยได้รู้จักมาก่อน ในขณะที่นักฟิสิกส์ในฝั่ง Theoretical physics กำลังพยายามใช้สมการแหละทฤษฏีเข้าไปจับเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในฝั่งของ Experimental physics ก็กำลังพยายามสร้างสภาพแวดล้อมและทดสอบเพื่อยืนยันการมีอยู่ของทฤษฏี สสาร และอนุภาคต่าง ๆ เหล่านี้ รวมถึงปัญหายอดฮิตอย่าง ความไม่สมมาตรกันของสสารและปฏิสสารในเอกภพ หรือทำความเข้าใจอนุภาคมวลน้อย ๆ อย่าง Neutrino หรืออนุภาคกลุ่ม Boson ชนิดอื่น ๆ
CEPC นั้นมุ่งเน้นไปที่การชนอนุภาคขนาดเล็ก ๆ อย่าง Electron ทำให้พลังงานจากการชนอาจะไม่มากเท่า Proton หรือ Lead-ion ของ LHC แต่ในขณะเดียวกันจีนก็ได้มีแผนที่จะอัพเกรด CEPC ให้เร่งอนุภาคกลุ่มแฮดรอนหรือใหญ่กว่านั้น ให้เป็น Super proton proton Collider (SppC) เหมือนกับที่ CERN อัพเกรด LEP ให้เป็น LHC
แล้วก็ระหว่างรอ LHC จะถูกอัพเกรดไปเรื่อย ๆ ให้ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพไปจนถึงปี 2035 ซึ่งบอกไว้ใน High-Luminosity upgrade (HL-LHC) ทำให้เราสบายใจได้ว่าจะมี Data ใหม่ ๆ ทางฟิสิกส์อนุภาคให้เราได้จับมาเล่นรอกันไปไม่ต่ำกว่าปี 2050 แน่ ๆ
ทุกวันนี้ เราพยายามสร้างเครื่องมือต่าง ๆ ทางฟิสิกส์ขึ้นมาเพื่อใช้ศึกษาย้อนอดีตไปจนถึงจุดกำเนิดของเอกภพ ทั้งหมดนี้ไม่ได้แปลว่าเราต้องการที่จะควบคุมธรรมชาติ แต่เรากำลังพยายามศึกษาและอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ เหมือนกับที่มนุษย์ในสมัยโบราณตั้งคำถามต่อแนวคิดโลกแบน การเดินทางสำรวจอวกาศ การค้นพบใหม่ ๆ เราไม่รู้ว่าปลายทางของการเดินทางนี้จะไปสิ้นสุดที่ตรงไหน แต่สิ่งที่เรารู้ก็คือ ทุกครั้งที่เราเกิดการค้นพบ เราเห็นโอกาสใหม่ ๆ ที่เราจะดูแลเพื่อนมนุษย์ด้วยกันให้ดีกว่าเดิม เทคโนโลยีต่าง ๆ รวมถึงความเข้าใจในความเป็นมนุษย์และชีวิต
และนี่ก็คือความเจ๋งของศาสตร์ที่เรียกว่าวิทยาศาสตร์ เพราะมันคือการส่งต่ออย่างไม่มีที่สิ้นสุด ไม่รู้ว่ามันจะไปจบตรงไหน แต่เราทุกวันนี้ที่อยู่ตรงนี้ได้ก็เพราะการค้นพบและการเรียนรู้ที่ถูกส่งต่อกันมา เหมือนที่คุณ Carl Sagan พูดไว้ว่า ข้าพเจ้าไม่รู้ว่าข้าพเจ้ากำลังไปไหน แต่ข้าพเจ้ากำลังเดินทาง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
