เครื่องเร่งอนุภาคคืออะไรและทำงานอย่างไร?
เวลามีข่าวการค้นพบอนุภาคใหม่ๆ เรามักได้ยินกันว่าเครื่องเร่งอนุภาคเป็นเครื่องมือสำคัญที่ทำให้เกิดการค้นพบดังกล่าว แต่หลายคนยังไม่รู้ว่าเครื่องเร่งอนุภาคคืออะไรและทำงานอย่างไร
บทความนี้จะเล่าหลักการทำงานแบบกว้างๆของมันให้ฟังครับ
หนึ่งในความมุ่งหมายของนักฟิสิกส์คือ การทำความเข้าใจเอกภพไปจนถึงรากฐานว่าเอกภพถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคมูลฐานอะไรบ้างและอนุภาคเหล่านั้นมีธรรมชาติอย่างไร ส่งแรงกระทำระหว่างกันอย่างไร แต่ปัญหาคืออนุภาคเหล่านี้เล็กมากๆ แล้วนักฟิสิกส์จะศึกษามันอย่างไร
ลองจินตนาการถึงกล่องใบเล็กจิ๋วทึบปิดสนิทที่เราไม่สามารถไขเข้าไปดูข้างในได้ เราอาจลองเอากล่องนั้นมาเขย่าเพื่อฟังเสียงว่ามีอะไรอยู่ข้างใน หรืออาจจะลองขว้างมันไปชนกับอะไรบางอย่างเพื่อทดลองว่าจะมีอะไรกระเด็นออกมาไหม
การศึกษาอนุภาคเล็กๆก็มีบางส่วนที่คล้ายกับการพยายามมองเข้าไปในกล่องใบเล็กจิ๋วนั้น ซึ่งอุปกรณ์ที่จะใช้ "ขว้าง" อนุภาคก็คือเครื่องเร่งอนุภาคนั่นเอง
เครื่องเร่งอนุภาคจะทำการเร่งอนุภาคให้เร็วขึ้นจนเมื่อมันมีพลังงานสูงพอแล้วก็ให้มันพุ่งชนกันหรืออาจจะชนกับเป้าบางอย่างเพื่อดูว่ามีอะไรกระเด็นออกมาบ้าง สิ่งที่กระเด็นออกมามีพลังงานเท่าไหร่ กระเด็นออกมาที่มุมไหน ฯลฯ จากนั้นก็นำข้อมูลมหาศาลเหล่านั้นมาวิเคราะห์ แน่นอนว่ายิ่งชนด้วยพลังงานสูงก็ยิ่งมีโอกาสจะมองเห็นปรากฏการณ์ที่ไม่เกิดขึ้นในระดับพลังงานต่ำๆทั่วไปในชีวิตประจำวัน
ที่กล่าวมาทั้งหมดนี้เป็นสาเหตุให้นักฟิสิกส์สร้างเครื่องเร่งอนุภาคขึ้น
ภาพจำลองผลที่เกิดจากการเร่งอนุภาคมาชนกัน
แล้วเครื่องเร่งอนุภาคทำให้อนุภาคให้เร็วขึ้นได้อย่างไร?
เครื่องเร่งอนุภาคจะทำการเร่งอนุภาคมีประจุไฟฟ้าให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง โดยอนุภาคดังกล่าวได้แก่ อิเล็กตรอน โพสิตรอน หรือโปรตอน ตัวอย่างเช่น เครื่อง LHC นั้นถูกออกแบบมาใช้เร่งโปรตอนให้มีพลังงานสูง โดยโปรตอนดังกล่าวมาจากแก๊สไฮโดรเจน อะตอมของธาตุไฮโดรเจนทั่วไปประกอบไปด้วยโปรตอนหนึ่งอนุภาค อิเล็กตรอนหนึ่งอนุภาค นักฟิสิกส์ใช้สนามไฟฟ้าดึงเอาอิเล็กตรอนให้หลุดจากโปรตอน เท่านี้ก็จะได้โปรตอนจำนวนมากมาใช้ในการเร่งความเร็วแล้ว
ส่วนผลิตโปรตอนจากแก๊สไฮโดรเจน
อนุภาคมีประจุไฟฟ้าอย่างโปรตอน เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าจะถูกแรงผลักให้มีความเร็วสูงขึ้นได้ในทิศทางเดียวกับทิศของสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น ถ้าโปรตอนวิ่งไปทางซ้าย แล้วเจอสนามไฟฟ้าชี้ไปทางซ้ายก็จะทำให้โปรตอนวิ่งไปทางซ้ายเร็วขึ้น แต่ถ้าโปรตอนวิ่งไปทางซ้าย แล้วสนามไฟฟ้าชี้ไปทางขวา โปรตอนจะวิ่งไปทางซ้ายช้าลงหรืออาจจะกลับทิศทางการวิ่งได้เลย
ภายในเครื่องเร่งอนุภาค ส่วนที่ทำหน้าที่เร่งอนุภาคจะทำการ "เตะ" โปรตอนหลายๆครั้งด้วยสนามไฟฟ้า ซึ่งโปรตอนจะต้องเคลื่อนที่เข้ามาในจังหวะเวลาที่เหมาะสมมาก จึงจะถูกเร่งให้เร็วขึ้นได้ตามต้องการ ดังนั้นโปรตอนจึงไม่ได้มาเป็นสายอย่างต่อเนื่อง แต่จะถูกส่งมาเป็นกลุ่มก้อน เรียกว่า Bunch
สนามไฟฟ้าต้องมีทิศทางเหมาะสมจึงจะเร่งโปรตอนให้มีความเร็วสูงขึ้นได้ตามต้องการ
ผลลัพธ์ของการเร่งอนุภาคคือ กลุ่มโปรตอนนั้นจะมีความเร็วสูงมากจนเข้าใกล้ความเร็วแสง เส้นทางที่มันวิ่งไปจึงต้องเป็นสุญญากาศคุณภาพสูง เพราะถ้าไม่เป็นสุญญากาศ มันจะชนเข้ากับอนุภาคต่างๆจนสูญเสียพลังงานและทำความเร็วตามที่ต้องการไม่ได้
การเร่งโปรตอนให้เร็วมากๆนั้น จำเป็นต้องใช้ระยะทางให้โปรตอนเคลื่อนที่มากตามไปด้วย ดังนั้นเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมจึงสามารถเร่งโปรตอนได้หลายรอบจนโปรตอนทำความเร็วได้สูงพอ ซึ่งการควบคุมให้โปรตอนเคลื่อนที่เป็นวงกลมจะใช้แม่เหล็กจำนวนมากมาปรับเส้นทาง และช่วยให้การเคลื่อนที่มีเสถียรภาพ (จริงๆต้องบอกว่าแม่เหล็กในเครื่องเร่งอนุภาคนั้นมีหน้าที่หลายอื่นด้วย ทั้งการบีบให้โปรตอนเกาะกลุ่มกันมากขึ้น ไปจนถึง หน้าที่ในส่วนตรวจจับการชน)
เครื่องเร่งอนุภาค LHC จึงมีความยาวเส้นรอบวงมากถึง 27 กิโลเมตร โปรตอนที่มีพลังงานสูงพอแล้วจะถูกควบคุมให้เกิดการชนกับโปรตอนอีกกลุ่มที่วิ่งสวนทางกันในตำแหน่งรอบๆวงกลมดังกล่าว ซึ่งจะมีสถานีตรวจจับการชนเหล่านี้กระจายเป็นจุดๆ เช่น ATLAS , CMS, ALICE , LHCb เป็นต้น
เครื่องเร่งอนุภาค LHC และสถานีตรวจจับรอบๆ
การตรวจจับอนุภาคฮิกส์ที่เป็นข่าวใหญ่เกิดขึ้นที่เครื่อง LHC ที่ทำการเร่งโปรตอนมาชนกันที่ระดับพลังงานสูงจนมีอนุภาคฮิกส์เกิดขึ้นมาในระหว่างการชนให้ตรวจจับได้
ทั้งหมดนี้เป็นภาพรวมการทำงานกว้างๆของเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งเป็นหนึ่งในเมกะโปรเจคต์ในการค้นพบความทางธรรมชาติของมนุษย์ ในเชิงเทคนิคยังมีรายละเอียดอื่นๆที่น่าสนใจและการแก้ปัญหาอีกมากมาย แต่ไม่ได้นำมาเล่าไว้ในที่นี้ แต่ลำพังแค่การทำงานกว้างๆก็ยังนับว่าน่าทึ่ง
ในอนาคต เครื่องเร่งอนุภาคอื่นๆที่แตกต่างไปจาก LHC มีแผนงานในการออกแบบและสร้างอยู่ ส่วนจะได้สร้างจริงหรือไม่คงต้องติดตามกันต่อไป
หมายเหตุ -อย่างไรก็ตาม เครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงนั้นก็ยังมีข้อได้เปรียบบางอย่าง เช่น เส้นทางตรงนั้นซับซ้อนน้อยกว่าเส้นทางโค้งๆ อีกทั้งเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมนั้นจะทำให้อนุภาคมีประจุไฟฟ้าแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเข้าโค้งทำให้สูญเสียพลังงานในระหว่างการเคลื่อนที่ ส่วนเส้นทางตรงๆนั้น อนุภาคจะไม่สูญเสียพลังงานจากการเข้าโค้ง
อ้างอิง
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
