เครื่องชนอนุภาคสำหรับการศึกษา "จักรวาลยุคแรกเริ่ม": สาธิตเครื่องชนมิวออนแล้ว

เครื่องเร่งอนุภาคถูกใช้เป็นเครื่องมือวิจัยสำหรับการศึกษาจักรวาลยุคแรกๆ เครื่องชนอนุภาคแฮดรอน (โดยเฉพาะเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ LHC ของ CERN) และเครื่องชนอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอนเป็นอุปกรณ์สำคัญในการสำรวจจักรวาลยุคแรกๆ การทดลอง ATLAS และ CMS ที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ประสบความสำเร็จในการค้นพบโบซอนฮิกส์ในปี 2012 เครื่องชนอนุภาคมิวออนอาจมีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาดังกล่าว แต่ยังไม่เป็นจริง นักวิจัยประสบความสำเร็จในการเร่งมิวออนบวกให้เร็วขึ้นประมาณ 4% ของความเร็วแสง ซึ่งถือเป็นการทำความเย็นและเร่งความเร็วของมิวออนครั้งแรกของโลก การสาธิตแนวคิดนี้ถือเป็นการปูทางไปสู่การสร้างเครื่องเร่งมิวออนเครื่องแรกในอนาคตอันใกล้  

ปัจจุบัน กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) กำลังศึกษาจักรวาลยุคแรกเริ่ม โดยกล้องโทรทรรศน์ JWST ทุ่มเทให้กับการศึกษาจักรวาลยุคแรกโดยเฉพาะ โดยทำการรับสัญญาณออปติคอล/อินฟราเรดจากดวงดาวและกาแล็กซียุคแรกเริ่มที่ก่อตัวขึ้นในจักรวาลหลังบิ๊กแบง เมื่อไม่นานนี้ JWST ค้นพบกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลที่สุด JADES-GS-z14-0 ซึ่งก่อตัวขึ้นในจักรวาลยุคแรกเริ่มได้สำเร็จเมื่อประมาณ 290 ล้านปีหลังบิ๊กแบง  

จักรวาลมี 50,000 ยุค ได้แก่ ยุคการแผ่รังสี ยุคสสาร และยุคพลังงานมืดในปัจจุบัน ตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึงประมาณ 200 ปี จักรวาลถูกครอบงำด้วยการแผ่รังสี ตามมาด้วยยุคสสาร ยุคกาแล็กซีของยุคสสารซึ่งกินเวลาตั้งแต่ประมาณ 3 ล้านปีหลังบิ๊กแบงจนถึงประมาณ XNUMX พันล้านปีหลังบิ๊กแบงมีลักษณะเฉพาะคือการก่อตัวของโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น กาแล็กซี ยุคนี้มักเรียกกันว่า "จักรวาลยุคแรก" ซึ่ง JWST ศึกษา  

“เอกภพยุคแรกเริ่ม” หมายถึงช่วงแรกสุดของเอกภพในช่วงไม่นานหลังจากบิ๊กแบง เมื่อเอกภพมีอุณหภูมิสูงมากและถูกควบคุมโดยรังสีทั้งหมด ยุคพลังค์เป็นยุคแรกของยุครังสีซึ่งกินเวลาตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึงปี 10^-43 ส. มีอุณหภูมิ 10³² เอกภพในยุคนี้ร้อนจัดมาก ยุคพลังค์ตามมาด้วยยุคควาร์ก เลปตอน และนิวเคลียร์ ซึ่งทั้งหมดมีอายุสั้นแต่มีลักษณะเฉพาะคืออุณหภูมิที่สูงมากซึ่งค่อยๆ ลดลงเมื่อเอกภพขยายตัว  

การศึกษาโดยตรงเกี่ยวกับช่วงแรกเริ่มของจักรวาลนี้เป็นไปไม่ได้ สิ่งที่สามารถทำได้คือการสร้างเงื่อนไขของสามนาทีแรกของจักรวาลหลังบิ๊กแบงขึ้นมาใหม่ในเครื่องเร่งอนุภาค ข้อมูลที่สร้างขึ้นจากการชนกันของอนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาค/เครื่องชนกันนั้นให้หน้าต่างทางอ้อมที่ช่วยให้เราเข้าใจจักรวาลในยุคแรกเริ่มได้  

เครื่องชนอนุภาคเป็นเครื่องมือวิจัยที่สำคัญมากในฟิสิกส์อนุภาค เครื่องชนอนุภาคเหล่านี้เป็นเครื่องจักรแบบวงกลมหรือเชิงเส้นที่เร่งความเร็วของอนุภาคให้สูงมากจนใกล้เคียงกับความเร็วแสง และทำให้อนุภาคเหล่านี้สามารถชนกับอนุภาคอื่นที่มาจากทิศทางตรงข้ามหรือชนกับเป้าหมายได้ การชนกันทำให้เกิดอุณหภูมิที่สูงมากในระดับล้านล้านเคลวิน (คล้ายกับสภาพที่เกิดขึ้นในยุคแรกสุดของยุคเรเดียเตออน) พลังงานของอนุภาคที่ชนกันจะถูกเพิ่มเข้าไป ดังนั้นพลังงานจากการชนจึงสูงขึ้น ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นสสารในรูปของอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีอยู่ตั้งแต่เอกภพยุคแรกสุดตามสมมาตรมวล-พลังงาน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคพลังงานสูงดังกล่าวในสภาพแวดล้อมที่เกิดขึ้นตั้งแต่เอกภพยุคแรกสุดทำให้สามารถมองเห็นโลกในยุคนั้นที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ และการวิเคราะห์ผลพลอยได้จากการชนกันช่วยให้เข้าใจกฎที่ควบคุมของฟิสิกส์ได้  

ตัวอย่างเครื่องชนอนุภาคที่มีชื่อเสียงที่สุดอาจเป็นเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ของ CERN ซึ่งเป็นเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ที่แฮดรอน (อนุภาคประกอบที่ประกอบด้วยควาร์ก เช่น โปรตอนและนิวตรอน) ชนกัน เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนเป็นเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่และทรงพลังที่สุดในโลกที่ก่อให้เกิดการชนกันด้วยพลังงาน 13 TeV (เทระอิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งเป็นพลังงานสูงสุดที่เครื่องเร่งอนุภาคจะเข้าถึงได้ การศึกษาผลพลอยได้จากการชนกันนั้นมีประโยชน์อย่างมากจนถึงขณะนี้ การค้นพบโบซอนฮิกส์ในปี 2012 โดยการทดลองของ ATLAS และ CMS ที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ถือเป็นก้าวสำคัญทางวิทยาศาสตร์  

ขนาดของการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคถูกกำหนดโดยพลังงานของเครื่องเร่งอนุภาค หากต้องการสำรวจในระดับที่เล็กลงเรื่อยๆ จำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้น จึงมีการค้นหาเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงขึ้นอยู่เสมอ ซึ่งมากกว่าที่มีอยู่ในปัจจุบัน เพื่อการสำรวจแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคและการตรวจสอบในระดับที่เล็กลง ดังนั้น จึงมีเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงขึ้นรุ่นใหม่หลายรุ่นที่กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา  

เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ที่มีความส่องสว่างสูง (HL – LHC) ของ CERN ซึ่งน่าจะเริ่มดำเนินการได้ภายในปี 2029 ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของ LHC โดยเพิ่มจำนวนการชนกันเพื่อให้สามารถศึกษาเกี่ยวกับกลไกที่ทราบได้อย่างละเอียดมากขึ้น ในทางกลับกัน เครื่องชนอนุภาคแบบวงกลมแห่งอนาคต (FCC) เป็นโครงการเครื่องชนอนุภาคประสิทธิภาพสูงที่มีความทะเยอทะยานสูงของ CERN ซึ่งจะมีเส้นรอบวงประมาณ 100 กม. และอยู่ใต้ดิน 200 เมตร และจะสืบต่อจากเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) การก่อสร้างน่าจะเริ่มดำเนินการในปี 2030 และจะแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน: FCC-ee (การวัดที่แม่นยำ) จะเริ่มดำเนินการได้ภายในกลางปี ​​2040 ในขณะที่ FCC-hh (พลังงานสูง) จะเริ่มดำเนินการในปี 2070 FCC ควรสำรวจการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่หนักกว่าซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของ LHC และการมีอยู่ของอนุภาคที่เบากว่าซึ่งโต้ตอบกับอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานได้อ่อนมาก  

ดังนั้น กลุ่มอนุภาคหนึ่งที่ชนกันในเครื่องชนกันคือแฮดรอน เช่น โปรตอนและนิวเคลียส ซึ่งเป็นอนุภาคประกอบที่ประกอบด้วยควาร์ก อนุภาคเหล่านี้มีน้ำหนักมากและทำให้ผู้วิจัยสามารถไปถึงพลังงานสูงได้ เช่น ในกรณีของ LHC อีกกลุ่มหนึ่งคือเลปตอน เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอน อนุภาคเหล่านี้สามารถชนกันได้เช่นกัน เช่น ในกรณีของเครื่องชนกันอิเล็กตรอน-โพซิตรอนขนาดใหญ่ (LEPC) และเครื่องชนกัน SuperKEKB ปัญหาสำคัญประการหนึ่งของเครื่องชนกันเลปตอนที่ใช้อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเป็นฐานคือการสูญเสียพลังงานจำนวนมากเนื่องจากรังสีซินโครตรอนเมื่ออนุภาคถูกบังคับให้โคจรเป็นวงกลม ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยใช้มิวออน เช่นเดียวกับอิเล็กตรอน มิวออนเป็นอนุภาคพื้นฐาน แต่มีน้ำหนักมากกว่าอิเล็กตรอน 200 เท่า ดังนั้นจึงสูญเสียพลังงานน้อยกว่ามากเนื่องจากรังสีซินโครตรอน  

เครื่องชนอนุภาคมิวออนสามารถทำงานได้โดยใช้พลังงานน้อยกว่า ซึ่งทำให้เครื่องชนอนุภาคมิวออน 10 TeV เทียบเท่ากับเครื่องชนอนุภาคแฮดรอน 100 TeV ดังนั้น เครื่องชนอนุภาคมิวออนอาจมีความสำคัญมากขึ้นหลังจากการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูงกับ FCC-ee หรือ คลิก (เครื่องชนอนุภาคเชิงเส้นแบบกะทัดรัด) หรือ ILC (International Linear Collider) เมื่อพิจารณาจากระยะเวลาอันยาวนานของเครื่องชนอนุภาคพลังงานสูงในอนาคต เครื่องชนอนุภาคมิวออนอาจเป็นเพียงเครื่องมือวิจัยที่มีศักยภาพในด้านฟิสิกส์อนุภาคในอีกสามทศวรรษข้างหน้า มิวออนมีประโยชน์ในการวัดโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติ (g-2) และโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า (EDM) ที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษเพื่อการสำรวจที่เกินกว่าแบบจำลองมาตรฐาน เทคโนโลยีมิวออนยังนำไปใช้ในสาขาการวิจัยสหวิทยาการหลายสาขาอีกด้วย  

อย่างไรก็ตาม การสร้างเครื่องชนมิวออนให้สำเร็จนั้นมีข้อท้าทายทางเทคนิคหลายประการ ซึ่งแตกต่างจากแฮดรอนและอิเล็กตรอนที่ไม่สลายตัว มิวออนมีอายุขัยสั้นเพียง 2.2 ไมโครวินาทีก่อนที่จะสลายตัวเป็นอิเล็กตรอนและนิวตริโน แต่อายุขัยของมิวออนจะเพิ่มขึ้นตามพลังงานที่บ่งบอกว่าการสลายตัวของมิวออนสามารถเลื่อนออกไปได้หากเร่งให้เร็วขึ้น แต่การเร่งมิวออนนั้นยากในทางเทคนิค เนื่องจากมิวออนไม่มีทิศทางหรือความเร็วเท่ากัน  

เมื่อไม่นานนี้ นักวิจัยจาก Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ประสบความสำเร็จในการเอาชนะความท้าทายด้านเทคโนโลยีมิวออน โดยสามารถเร่งความเร็วมิวออนบวกให้ถึงประมาณ 4% ของความเร็วแสงได้เป็นครั้งแรกในโลก ซึ่งถือเป็นการสาธิตการเย็นตัวและการเร่งความเร็วของมิวออนบวกเป็นครั้งแรก หลังจากมีการพัฒนาเทคโนโลยีการเย็นตัวและการเร่งความเร็วอย่างต่อเนื่องมาหลายปี  

เครื่องเร่งโปรตอนที่ J-PARC ผลิตมิวออนได้ประมาณ 100 ล้านตัวต่อวินาที ซึ่งทำได้โดยการเร่งโปรตอนให้ใกล้ความเร็วแสงและปล่อยให้โปรตอนชนกับกราไฟต์เพื่อสร้างไพออน มิวออนเกิดขึ้นจากผลสลายตัวของไพออน  

ทีมวิจัยได้ผลิตมิวออนบวกที่มีความเร็วประมาณ 30% ของความเร็วแสงและยิงเข้าไปในซิลิกาแอโรเจล มิวออนที่ได้รับอนุญาตจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนในซิลิกาแอโรเจล ส่งผลให้เกิดมิวออน (อนุภาคที่เป็นกลางคล้ายอะตอมหรืออะตอมเทียมที่ประกอบด้วยมิวออนบวกที่ศูนย์กลางและอิเล็กตรอนรอบมิวออนบวก) ต่อมาอิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากมิวออนโดยการฉายแสงด้วยเลเซอร์ ซึ่งทำให้มิวออนบวกเย็นลงเหลือประมาณ 0.002% ของความเร็วแสง หลังจากนั้น มิวออนบวกที่เย็นลงจะถูกเร่งความเร็วโดยใช้สนามไฟฟ้าความถี่วิทยุ มิวออนบวกที่ถูกเร่งความเร็วจึงถูกสร้างขึ้นแบบมีทิศทางเนื่องจากเริ่มจากใกล้ศูนย์กลายเป็นลำแสงมิวออนที่มีทิศทางสูง จากนั้นจึงถูกเร่งความเร็วขึ้นเรื่อยๆ จนไปถึงประมาณ 4% ของความเร็วแสง ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญของเทคโนโลยีการเร่งความเร็วของมิวออน  

ทีมวิจัยวางแผนไว้ว่าจะเร่งมิวออนบวกให้ถึงความเร็ว 94% ของความเร็วแสงในที่สุด 

*** 

อ้างอิง:  

1. มหาวิทยาลัยออริกอน จักรวาลยุคแรกเริ่ม – สู่จุดเริ่มต้นของทิม มีจำหน่ายที่ https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. วิทยาศาสตร์เร่งความเร็ว – เครื่องชนมิวออน เข้าถึงได้ที่ https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC ข่าวเผยแพร่ – การระบายความร้อนและเร่งความเร็วมิวออนครั้งแรกของโลก โพสต์เมื่อวันที่ 23 พฤษภาคม 2024 เข้าถึงได้ที่ https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S. และคณะ 2024. การเร่งความเร็วของมิวออนบวกโดยโพรงความถี่วิทยุ พิมพ์ล่วงหน้าที่ arXiv ส่งเมื่อ 15 ตุลาคม 2024 DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

บทความที่เกี่ยวข้อง  

อนุภาคพื้นฐาน ดูอย่างรวดเร็ว สังเกตพบการพันกันของควอนตัมระหว่าง “ควาร์กชั้นนำ” ที่มีพลังงานสูงสุด  (22 กันยายน 2024)  

***