ทำความรู้จัก CERN กันก่อน

CERN หรือ องค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป เป็นองค์การความร่วมมือระหว่างประเทศในทวีปยุโรปเพื่อวิจัยและพัฒนาทางด้านิวเคลียร์ (ไม่ได้หมายถึง อาวุธนิวเคลียร์ แต่เน้นศึกษาองค์ประกอบของอนุภาคต่างๆในนิวเคลียสของอะตอม) ก่อตั้งเมื่อวันที่ 29 กันยายน พ.ศ. 2497 มีประเทศสมาชิก 12 ประเทศ สำนักงานใหญ่อยู่ที่กรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนดด์

สถานที่ตั้งมีลักษณะอย่างไร

CERN ได้สร้างเครื่องยิงอนุภาค LHC (The Large Hadron Collider) ที่มีความยาววงรอบประมาณ 27 กิโลเมตร ซึ่งแต่ละบริเวณก็มีเครื่องตรวจจับอนุภาคอยู่หลายชนิด ดังรูป

เครื่องตรวจจับอนุภาคต่างๆที่ใช้ในการวิจัย

อนุภาคพื้นฐานมีอะไรบ้าง

สมัยก่อนนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอะตอมมีอนุภาคพื้นฐานอยู่ 3 ตัวเท่านั้น คือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แต่หลังจากที่ได้ทดลองแยกนิวเคลียสของอะตอมโดนการยิงอนุภาคโปรตอน 1 ตัวไปชนกับนิวเคลียส ทำให้เกิดอนุภาคย่อยต่างๆออกมามากมาย ซึ่งในปัจจุบันได้ค้นพบเกือบทั้งหมดแล้ว ดังตารางด้านล่าง (หมายเหตุ อิเล็กตรอนถือว่าได้ว่าเป็นอนุภาคพื้นฐานตัวหนึ่งแบ่งแยกไม่ได้แล้ว)

elementpart — ตารางอนุภาคพื้นฐาน 17 ตัว 4 ประเภท Credit wiki

p style=”text-align: left;”>อนุภาคที่จำเป็นต้องรู้
ในบทความนี้จะกล่าวถึงอนุภาค 4 ตัวนี้เป็นหลัก คือ pion muon kaon และ neutrino

kaon หรือ k meson kaon ไม่ใช่อนุภาคมูลฐาน แต่เมื่อมันสลายตัวจะให้อนุภาค pion 3 ตัว (จริงๆแล้ว kaon ยังมีอีก 4 ชนิด)

pion ไม่ใช่อนุภาคมูลฐาน เพราะยังแยกออกมาเป็นอนุภาคควาก (Quark) สองตัวคือ up quark (u) กับ down quark (d) ด้วยความที่ pion มีช่วงชีวิตที่สั้นมาก คือสั้นกว่า $8.4\times10^{-17}$ วินาที pion ส่วนใหญ่จะสลายตัวกลายเป็น muon และ muon neutrinos (ดูรูปด้านบน)

muon เป็นอนุภาคมูลฐานตัวหนึ่ง (ตารางด้านบน) จัดอยู่หมวด leptions ประเภทเดียวกัน electrion tau และ Neutrino ทั้ง 3 ชนิด (ได้แก่ electron neutrino muon neutrino และ tau neutrino) muon มีช่วงชีวิตที่สั้นมาก คือ 2.2 ไมโครวินาที

neutrino เป็นอนุภาคพื้นฐานในหมวด Leptons โดยแบ่งออกเป็นอีก 3 ชนิด คือ electrion neutrino muon neutrino และ tau neutrino ตามที่กล่าวข้างต้นนี้

สรุปแล้วหากพูดให้ภาพรวม kaon จะสลายกลายเป็น pion และ pion จะสลายเป็น muon และ muon ก็มีอีก 3 ชนิด (kaon > pion > muon และ muon 3 ชนิด) เป้าหมายของเราคือ ต้องการตรวจหา tau neutrino

การทดลองครั้งนี้ทดลองอย่างไร

เราจะใช้เครื่องตรวจจับที่เรียกว่า OPERA หรือ Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus โดยสถาบัน Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN) ที่ Gran Sasso ในประเทศอิตาลี โดยได้รับผิดชอบในการตรวจหา tau neutrino ในลำแสง muon-neutrino ที่ส่งจาก CERN ก่อนหน้านี้เราทราบว่า neutrino มี 3 ชนิด คือ electron neutrino muon neutrino และ tau neutrino “จากการทดลองพบว่าเมื่อ muon neutrino คลื่อนที่ไปได้ 730 กิโลเมตรจนไปถึง Gran Sasso muon neutrino จะเปลี่ยนสภาพเป็น tau neutrino ได้” โดยอาศัยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Oscillation เหตุที่เป็นเช่นนี้ได้เนื่องจากธรรมชาติของนิวตริโนทั้ง 3 ชนิดนี้ สามารถเปลี่ยนสภาพของตนเป็นแบบใดก็ได้ใน 3 ชนิดนี้

กระบวนการจะเริ่มจาก CERN สร้างลำแสง Neutrino ให้กับ Gran Sasso

(1) ยิงโปรตอนเป็นช่วงๆจาก Super Proton Synchrotron (SPS) ไปยังเป้าที่ทำจากแกรไฟต์

(2) หลังเกิดจากการปะทะกันทำให้เกิดอนุภาค pion และ kaon

(3) ใช้ระบบเลนส์แม่เหล็ก 2 อัน (อนุภาคพวกนี้มีอันตรกิริยากับสนามแม่เหล็ก) เพื่อโฟกัสอนุภาคให้เป็นลำแสงขนานและปล่อยตรงไปยัง Gran Sasso

(4) อนุภาค pion และ kaon จะเสื่อมสภาพกลายเป็น muon และ muon neutrino

(5) เมื่อ muon และ muon neutrino วิ่งไปได้ 1 กิโลเมตรภายในท่อส่งใต้ดิน เมื่อถึงปลายทางของท่อ จะมีตัวกั้นที่ทำจากแกรไฟท์ และโลหะหนา 18 เมตร ซึ่งทำหน้าที่ดูดซับโปรตอนรวมทั้ง pion และ kaon ที่เหลือ และไม่มีการแปรสภาพ

(6) หลังจากนั้น muon และ muon neutrino ที่ผ่านบล็อคแกรไฟท์ไปได้จะเคลื่อนตามเส้นทางผ่านชั้นหินต่างๆของเปลือกโลก แต่จะมีบางส่วนที่ส่งไปยัง Gran Sasso ได้ ซึ่งกินระยะทางกว่า 730 กิโลเมตร (เกิดจากการเคลื่อนที่วนรอบซ้ำๆ)

(7) เมื่อมันมาถึง Gran Sasso อนุภาคส่วนหนึ่งของ neutrino จะทำปฏิกิริยากับเครื่องตรวจจับ OPERA ซึ่งมันสามารถระบุชนิดของ neutrino ที่เคลื่อนที่ผ่านมาได้ (อย่าลืมเราต้องการหา tau neutrino)

หลังจากการตรวจพบ muon neutrinos (ที่ตัวจับอนุภาคนี้ เนื่องจากมันอาจจะแปรสภาพเป็น tau neutrino เมื่อไหร่ก็ได้) ก็พบ tau neutrino ครั้งแรกในปี 2010 ตัวที่สอง และสามก็ถูกค้นพบในปี 2012 และ 2013 ตามลำดับ ในขณะที่ตัวที่สี่พึ่งถูกค้นพบในปี 2014 ที่ผ่านมา และตัวที่ 5 ก็พึ่งค้นพบในปี 2015 นี้เอง

การทดลองเพื่อหาเจ้า tau neutrinos กินระยะเวลากว่า 10 ปี นับตั้งแต่เริ่มทดลองในปี 2006 จนถึง 2015 ก็เป็นทียืนยันแล้วว่าอนุภาคมูลฐาน tau neutrino นั้นมีอยู่จริง จะเห็นได้ว่ากว่านักวิทยาศาสตร์จะสรุปผลการทดลองใดๆ ต้องทำการทดลองซ้ำๆ เพื่อให้แน่ใจว่าการทดลองนั้นไม่ได้เกิดจากข้อผิดพลาด หรือความคลาดเคลื่อนใดๆ แม้จะใช้ะระยะเวลานานแค่ไหนก็ตาม

Reference and more detail & pics

“CERN.”. [Online]. Available : wiki 2015.
“Elementary Particle.”. [Online]. Available : wiki 2015.
“pion.”. [Online]. Available : wiki 2015.
“muon.”. [Online]. Available : wiki 2015.
“kaon.”.[Online]. Available : wiki 2015.
“neutrino.”. [Online]. Available : wiki 2015.
“OPERA detects its fifth tau neutrino.”. [Online]. Available : PhysOrg 2015.