การแสวงหาคำตอบสำหรับคำถามปลายเปิด (เช่น อนุภาคมูลฐานชนิดใดที่ก่อให้เกิดสสารมืด เหตุใดสสารจึงครอบงำจักรวาล และเหตุใดจึงมีความไม่สมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสาร อนุภาคแรงที่สัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วง พลังงานมืด มวลนิวตริโน ฯลฯ) ที่แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายได้นั้น เราอาจจำเป็นต้องมองไกลกว่าแบบจำลองมาตรฐานและสำรวจความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่เบากว่าซึ่งมีปฏิกิริยากับอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานอย่างอ่อนมาก รวมถึงการสำรวจการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่หนักกว่าซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของสถานี LHC ที่มีอยู่ เครื่องชนอนุภาคแบบวงกลมแห่งอนาคต (FCC) ที่เสนอนี้จะช่วยให้สามารถค้นหาการมีอยู่ของอนุภาคมูลฐานดังกล่าวได้นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ขณะนี้สภาเซิร์นได้พิจารณารายงานการศึกษาความเป็นไปได้ของ FCC แล้ว คาดว่าสภาเซิร์นจะตัดสินใจขั้นสุดท้ายเกี่ยวกับการก่อสร้าง FCC ประมาณปี พ.ศ. 2028 หากได้รับการอนุมัติ การก่อสร้าง FCC อาจเริ่มต้นขึ้นในช่วงปี พ.ศ. 2030 โดยจะมีเส้นรอบวงประมาณ 100 กิโลเมตร ตั้งอยู่ใต้ดินประมาณ 200 เมตร ใกล้กับตำแหน่งเดียวกันกับ LHC ใกล้เจนีวา เครื่องนี้จะเข้ามาแทนที่เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ซึ่งจะสิ้นสุดการใช้งานในปี พ.ศ. 2041 FCC จะถูกแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือ FCC-ee จะเป็นเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอนสำหรับการวัดที่แม่นยำเพื่อค้นหาอนุภาคที่เบากว่า ซึ่งจะมีโครงการวิจัย 15 ปีนับตั้งแต่ปลายทศวรรษ 2040 เมื่อขั้นตอนนี้เสร็จสมบูรณ์ เครื่องที่สองคือ FCC-hh (พลังงานสูง) จะเข้าประจำการในอุโมงค์เดียวกัน ขั้นตอนที่สองมีเป้าหมายที่จะบรรลุพลังงานการชนกันที่ 100 TeV (สูงกว่า 13 TeV ของ LHC มาก) เพื่อค้นหาอนุภาคที่หนักกว่า ขั้นตอนนี้จะเปิดใช้งานในช่วงทศวรรษ 2070 และจะดำเนินต่อไปจนถึงปลายศตวรรษที่ 21
เมื่อวันที่ 6-7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2025 สภา CERN (ประกอบด้วยผู้แทนจากประเทศสมาชิกและประเทศสมาชิกสมทบของ CERN) ได้ตรวจสอบผลลัพธ์ของการศึกษาความเป็นไปได้สำหรับ Future Circular Collider (FCC) ที่เสนอมา
ก่อนหน้านี้ เซิร์นได้ดำเนินการศึกษาเพื่อประเมินความเป็นไปได้ของ Future Circular Collider (FCC) โดยร่วมมือกับสถาบันต่างๆ ในประเทศสมาชิกและประเทศสมาชิกสมทบของเซิร์น รวมถึงประเทศอื่นๆ รายงานฉบับนี้เผยแพร่เมื่อวันที่ 31 มีนาคม พ.ศ. 2025 ซึ่งได้รับการตรวจสอบโดยหน่วยงานย่อยของสภาเซิร์น นอกจากนี้ รายงานยังได้รับการตรวจสอบโดยคณะผู้เชี่ยวชาญอิสระ ซึ่งระบุว่า FCC มีความเป็นไปได้ทางเทคนิคโดยพิจารณาจากเอกสารประกอบที่นำเสนอ
คณะผู้แทนสภาเซิร์นได้พิจารณารายงานการศึกษาความเป็นไปได้ของ FCC เมื่อวันที่ 6-7 พฤศจิกายน 2025 ในการประชุมเฉพาะกิจ และได้ข้อสรุปว่าการศึกษาความเป็นไปได้นี้เป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาของ FCC ต่อไป นับเป็นก้าวสำคัญสู่การอนุมัติ FCC โดยสภาเซิร์นในเดือนพฤษภาคม 2026 ซึ่งข้อเสนอแนะทั้งหมดจะถูกนำเสนอต่อสภาเซิร์นเพื่อพิจารณา คาดว่าสภาเซิร์นจะตัดสินใจขั้นสุดท้ายเกี่ยวกับการก่อสร้าง FCC ประมาณปี 2028
Future Circular Collider (FCC) เป็นหนึ่งในเครื่องชนอนุภาครุ่นใหม่ที่ CERN เสนอ คาดว่าจะเป็นเครื่องชนอนุภาครุ่นต่อไปที่พัฒนาต่อยอดจาก Large Hadron Collider (LHC) ซึ่งจะสิ้นสุดการดำเนินงานในปี พ.ศ. 2041 ปัจจุบัน CERN กำลังพัฒนาเครื่องชนอนุภาครุ่นใหม่ที่จะมาต่อยอดจาก LHC ซึ่งเป็นกำลังสำคัญในปัจจุบันของ CERN
เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ซึ่งเริ่มใช้งานในปี พ.ศ. 2008 เป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม มีเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร และตั้งอยู่ใต้ดิน 100 เมตร ใกล้กับเจนีวา ปัจจุบัน เครื่องเร่งอนุภาคนี้ถือเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดในโลก ก่อให้เกิดการชนกันด้วยพลังงาน 13 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) ซึ่งเป็นพลังงานสูงสุดที่เครื่องเร่งอนุภาคสามารถทำได้ในปัจจุบัน เครื่องเร่งอนุภาคนี้จะเร่งอนุภาคแฮดรอนให้เร็วเกือบเท่าความเร็วแสง จากนั้นจึงชนกันในลักษณะเดียวกับสภาพของเอกภพในยุคแรกเริ่ม
| เครื่องเร่งอนุภาค/เครื่องชนอนุภาคเป็นหน้าต่างสู่จักรวาลยุคแรกเริ่ม |
| “เอกภพยุคแรกเริ่ม” หมายถึงช่วงแรกสุดของเอกภพ (สามนาทีแรกหลังจากบิ๊กแบง) ในยุคที่ร้อนจัดและเอกภพถูกครอบงำโดยรังสีทั้งหมด ยุคแพลงค์เป็นยุคแรกของยุครังสี ซึ่งกินเวลาตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึง 10-43 ส. มีอุณหภูมิ 1032 โอเค เอกภพร้อนจัดมากในยุคนี้ ยุคพลังค์ตามมาด้วยยุคควาร์ก เลปตอน และนิวเคลียร์ ซึ่งล้วนมีอายุสั้น แต่มีลักษณะเด่นคืออุณหภูมิที่สูงมาก ซึ่งค่อยๆ ลดลงเมื่อเอกภพขยายตัว การศึกษาโดยตรงเกี่ยวกับช่วงแรกเริ่มของจักรวาลนี้เป็นไปไม่ได้ สิ่งที่สามารถทำได้คือการสร้างสภาวะของช่วงแรกเริ่มนี้ของจักรวาลขึ้นใหม่ในเครื่องเร่งอนุภาค ข้อมูลที่สร้างขึ้นจากการชนกันของอนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาค/เครื่องชนอนุภาค เปรียบเสมือนหน้าต่างทางอ้อมที่พาเราไปสู่จักรวาลยุคแรกเริ่ม เครื่องชนอนุภาคเป็นเครื่องมือวิจัยที่สำคัญมากในฟิสิกส์อนุภาค เครื่องชนอนุภาคเหล่านี้เป็นเครื่องจักรแบบวงกลมหรือเชิงเส้นที่เร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงมากใกล้เคียงกับความเร็วแสง และทำให้อนุภาคเหล่านั้นชนกับอนุภาคอื่นที่มาจากทิศทางตรงข้ามหรือชนกับเป้าหมาย การชนกันก่อให้เกิดอุณหภูมิสูงมากในระดับล้านล้านเคลวิน (คล้ายกับสภาวะที่เกิดขึ้นในยุคแรกสุดของยุครังสี) พลังงานของอนุภาคที่ชนกันจะถูกเพิ่มเข้าไป ทำให้พลังงานจากการชนกันสูงขึ้น พลังงานจากการชนจะถูกแปลงเป็นสสารในรูปของอนุภาคที่มีอยู่ในเอกภพยุคแรกเริ่มตามสมมาตรมวล-พลังงาน ยกตัวอย่างเช่น เมื่ออิเล็กตรอนของอนุภาคย่อยอะตอมชนกับอนุภาคปฏิสสาร (โพซิตรอน) สสารและปฏิสสารจะสลายตัวและปลดปล่อยพลังงานออกมา อนุภาคมูลฐานชนิดใหม่หลายชนิดควบแน่นออกจากพลังงานที่ปลดปล่อยออกมา อนุภาคชนิดใหม่อาจเป็นฮิกส์โบซอนหรือควาร์กท็อป ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของสสารประเภทหนักมาก บางทีอนุภาคสสารมืดและอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดก็อาจเป็นสิ่งที่ยังไม่มีใครค้นพบ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคพลังงานสูงเช่นนี้ในสภาวะที่ดำรงอยู่ในเอกภพยุคแรกเริ่ม เปิดโอกาสให้เรามองเห็นโลกในยุคนั้นที่ไม่อาจเข้าถึงได้ และการวิเคราะห์ผลพลอยได้จากการชนกันช่วยเสริมสร้างความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอนุภาคพื้นฐาน และช่วยให้เราเข้าใจกฎฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง เครื่องเร่งอนุภาคถูกใช้เป็นเครื่องมือวิจัยสำหรับการศึกษาเอกภพยุคแรกเริ่ม เครื่องชนอนุภาคแฮดรอน (โดยเฉพาะเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ LHC ของ CERN) และเครื่องชนอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอน ถือเป็นเครื่องมือสำคัญในการสำรวจเอกภพยุคแรกเริ่ม การทดลองของ ATLAS และ CMS ที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ประสบความสำเร็จในการค้นพบฮิกส์โบซอนในปี พ.ศ. 2012 (ที่มา: เครื่องชนอนุภาคสำหรับการศึกษา "จักรวาลยุคแรกเริ่ม": สาธิตเครื่องชนมิวออนแล้ว) |
เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ความส่องสว่างสูง (HL – LHC) ของ CERN จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ LHC โดยเพิ่มจำนวนการชนกัน เพื่อให้สามารถศึกษากลไกที่ทราบได้อย่างละเอียดมากขึ้น คาดว่าจะเริ่มใช้งานได้ภายในปี พ.ศ. 2029
เครื่องชนอนุภาคแบบวงกลมอนาคต (Future Circular Collider: FCC) ที่นำเสนอนี้จะเป็นเครื่องชนอนุภาคที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องชนอนุภาคไฮโดรนขนาดใหญ่ (Large Hydron Collider) เครื่องชนอนุภาคนี้ออกแบบมาเพื่อสำรวจการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่หนักกว่า ซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider: LHC) และการมีอยู่ของอนุภาคที่เบากว่าซึ่งมีปฏิกิริยากับอนุภาคแบบจำลองมาตรฐานได้น้อยมาก FCC จะมีเส้นรอบวงประมาณ 100 กิโลเมตร และอยู่ใต้ดินประมาณ 200 เมตร ใกล้กับตำแหน่งเดียวกันกับ LHC หากได้รับการอนุมัติ การก่อสร้าง FCC อาจเริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 2030
FCC จะถูกดำเนินการในสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก FCC-ee จะเป็นเครื่องชนอิเล็กตรอน-โพซิตรอนสำหรับการวัดที่แม่นยำ โดยจะมีโครงการวิจัย 15 ปี นับตั้งแต่ปลายทศวรรษ 2040 เมื่อขั้นตอนนี้เสร็จสมบูรณ์ เครื่องที่สอง FCC-hh (พลังงานสูง) จะถูกติดตั้งในอุโมงค์เดียวกัน โดยมีเป้าหมายเพื่อให้มีพลังงานการชนกันของแฮดรอน (โปรตอน) และไอออนหนักที่ระดับ 100 TeV FCC-hh จะเริ่มปฏิบัติการในช่วงทศวรรษ 2070 และจะดำเนินงานไปจนถึงสิ้นศตวรรษที่ 21
ทำไมจึงจำเป็นต้องมี FCC? และจะมีวัตถุประสงค์เพื่ออะไร?
เอกภพที่สังเกตได้ทั้งหมด รวมถึงสสารธรรมดาแบริออนทั้งหมดที่ประกอบขึ้นเป็นเรา มีพลังงานมวลเพียง 4.9% ของเอกภพ สสารมืดที่มองไม่เห็นมีพลังงานมากถึง 26.8% (ในขณะที่พลังงานมวลที่เหลืออีก 68.3% ของเอกภพเป็นพลังงานมืด) ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าสสารมืดคืออะไร แบบจำลองมาตรฐาน (SM) ของฟิสิกส์อนุภาคไม่มีอนุภาคพื้นฐานที่มีคุณสมบัติที่จำเป็นต่อการเป็นสสารมืด เชื่อกันว่าบางที "อนุภาคสมมาตรยิ่งยวด" ที่เป็นคู่หูกับอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานอาจเป็นสสารมืด หรืออาจมีโลกคู่ขนานของสสารมืด WIMP (อนุภาคมวลมากที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน) แอกซอน หรือนิวตริโนที่ปราศจากเชื้อ เป็นอนุภาคที่ตั้งสมมติฐานว่า "อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน" (BSM) ซึ่งเป็นตัวเลือกหลัก อย่างไรก็ตาม ยังไม่ประสบความสำเร็จในการตรวจจับอนุภาคดังกล่าว ยังมีคำถามปลายเปิดอื่นๆ อีกมากมาย (เช่น ความไม่สมมาตรของสสาร-ปฏิสสาร แรงโน้มถ่วง พลังงานมืด มวลนิวตริโน ฯลฯ) ที่แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถตอบได้ นอกจากนี้ บทบาทของสนามฮิกส์ในวิวัฒนาการของจักรวาลก็เริ่มได้รับการพิจารณาหลังจากการค้นพบโบซอนฮิกส์ในปี 2012 โดยการทดลองของ ATLAS และ CMS ที่เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC)
คำตอบที่เป็นไปได้สำหรับคำถามปลายเปิดข้างต้นนั้นอยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เราอาจจำเป็นต้องสำรวจการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่เบากว่าซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานได้น้อยมาก ซึ่งจำเป็นต้องมีการรวบรวมข้อมูลจำนวนมากและความไวสูงมากต่อสัญญาณของการสร้างอนุภาคดังกล่าว ซึ่งอยู่ภายใต้ขอบเขตของขั้นตอนแรกของ FCC ได้แก่ FCC-ee (การวัดที่แม่นยำ) นอกจากนี้ การสำรวจการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่หนักกว่าซึ่งจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานสูงยังเป็นสิ่งจำเป็น FCC-hh (พลังงานสูง) ขั้นตอนที่สองของ FCC มีเป้าหมายที่จะบรรลุพลังงานการชนกันที่ 100 TeV (ซึ่งสูงกว่า 13 TeV ของ LHC มาก) สำหรับรูปร่างของเครื่องชนอิเล็กตรอน-โพซิตรอน (e+e-) ขั้นตอนที่หนึ่ง รูปร่างแบบวงกลมได้รับความนิยมมากกว่า (เมื่อเทียบกับแบบเส้นตรง) เนื่องจากรูปร่างแบบวงกลมให้ความสว่างที่สูงขึ้น ซึ่งสามารถทดลองได้มากถึงสี่ครั้ง และเป็นโครงสร้างพื้นฐานสำหรับเครื่องชนแฮดรอนพลังงานสูงขั้นตอนที่สองถัดไป
***
อ้างอิง:
- CERN. ข่าวเผยแพร่ – สภา CERN ทบทวนการศึกษาความเป็นไปได้สำหรับเครื่องชนอนุภาครุ่นต่อไป 10 พฤศจิกายน 2025 ดูได้ที่ https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN ข่าวประชาสัมพันธ์ – CERN เผยแพร่รายงานเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของ Future Circular Collider 31 มีนาคม 2025 ดูได้ที่ https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- การศึกษาความเป็นไปได้สำหรับเครื่อง Collider แบบวงกลมในอนาคตเสร็จสิ้นแล้ว https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- อนาคต Circular Collider https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: กรณีฟิสิกส์ 27 มีนาคม 2024 https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
บทความที่เกี่ยวข้อง:
- CERN เฉลิมฉลองครบรอบ 70 ปีการเดินทางทางวิทยาศาสตร์ในสาขาฟิสิกส์ (2 กุมภาพันธ์ 2024)
- เราประกอบขึ้นจากอะไร? อะไรคือหน่วยการสร้างพื้นฐานของจักรวาล? (8 พฤศจิกายน 2021)
***
วิดีโอการศึกษาบางส่วนเกี่ยวกับ FCC:
***
 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}