เครื่องชนอนุภาคอันใหม่สามารถจุดกระแสการปฏิวัติทางฟิสิกส์อย่างไร

นักวิจัยประจำเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งตั้งอยู่ในสวิตเซอร์แลนด์ ได้ยื่นแผนก่อสร้างเครื่องชนอนุภาคอันใหม่ที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิมมาก โดยมีเป้าหมายเพื่อการค้นพบอนุภาคใหม่ ๆ ที่อาจจะนำไปสู่การปฏิวัติวงการฟิสิกส์ และความเข้าใจที่สมบูรณ์มากขึ้นว่า เอกภพทำงานอย่างไร

หากโครงการนี้ได้รับการอนุมัติ มันจะมีขนาดเป็น 3 เท่าของเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน โดยมูลค่าการก่อสร้างเบื้องต้นคาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 17,000 ล้านปอนด์ หรือประมาณ 765,000 ล้านบาท

เงินจำนวนนี้จะได้มาจากชาติสมาชิกองค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น (CERN) รวมถึงสหราชอาณาจักร โดยผู้เชี่ยวชาญบางคนตั้งคำถามว่า มันสมเหตุสมผลในทางเศรษฐกิจหรือไม่ โดยอธิบายว่า ค่าใช้จ่ายดังกล่าวว่า "สุรุ่ยสุร่าย" หรือไม่

ในปี 2012 การตรวจหาอนุภาคใหม่ที่เรียก ฮิกส์โบซอน คือความสำเร็จยิ่งใหญ่ที่สุดของเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ หรือ แอลเอชซี (Large Hadron Collider-LHC) แต่หลังจากนั้นเป็นต้นมา ความทะเยอทะยานตามหา 2 จอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์อย่างสสารมืดและพลังงานมืด ก็ได้ถูกพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องเข้าใจยาก และนักวิจัยบางคนเชื่อว่า มีทางเลือกที่ถูกกว่านี้

เครื่องชนอนุภาคอันใหม่ที่มีแผนจะสร้างขึ้นนี้มีชื่อว่า "เครื่องชนอนุภาควงกลมแห่งอนาคต" หรือ เอฟซีซี (the Future Circular Collider-FCC) ด้านศาสตราจารย์ฟาบิโอลา จิอาโนตติ ผู้อำนวยการของเซิร์นบอกกับบีบีซีว่า หากโครงการนี้ได้รับการอนุมัติ มันจะเป็น “เครื่องจักรอันงดงาม”

“มันจะเป็นเครื่องมือที่ช่วยให้มนุษยชาติพบกับก้าวย่างครั้งยิ่งใหญ่ในการหาคำตอบที่เป็นรากฐานสำคัญของฟิสิกส์ที่เกี่ยวกับองค์ความรู้เกี่ยวกับเอกภพของเรา และการกระทำเช่นนั้น จะทำให้เราต้องการเครื่องมืออันทรงพลังมากกว่าเดิม” ผอ.ของเซิร์น กล่าว

พัลลับ โกช และ เคท สตีเฟนส์ ผู้สื่อข่าวของบีบีซีได้มีโอกาสเข้าไปภายในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลก เพื่อค้นหาว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงต้องการเครื่องที่ใหญ่กว่านี้

สำหรับโครงการเซิร์น ตั้งอยู่บนชายแดนระหว่างประเทศสวิตเซอร์แลนด์และฝรั่งเศส ใกล้กับนครเจนีวา

เครื่องชนอนุภาคแอลเอชซีประกอบด้วยอุโมงค์ใต้ดินที่มีเส้นรอบวงกว้าง 27 กิโลเมตร มันจะเร่งข้างในอนุภาค (แฮดรอน) ทั้งตามทิศทางตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา ให้มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง จนพวกมันชนกันอย่างแรงซึ่งแรงกว่าเครื่องชนอนุภาคเครื่องอื่น ๆ ในโลกจะทำได้

สิ่งที่เล็กอนุภาคย่อยของอะตอมซึ่งหลงเหลือจากการชนกัน จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่า อะตอมทำมาจากอะไรและพวกมันมีปฏิกิริยาสัมพันธ์กันอย่างไร

การต่อยอดการค้นพบซึ่งปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์

ย้อนกลับไปยังการตรวจจับอนุภาคฮิกส์โบซอนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เมื่อกว่า 10 ปีก่อน ถือเป็นการค้นพบครั้งใหม่

ในปี 1964 ปีเตอร์ ฮิกส์ นักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์ ได้ทำนายการมีอยู่ของโครงสร้างที่ทำให้เกิดอนุภาคอื่น ๆ ในเอกภพ แต่มันเพิ่งถูกค้นพบโดยเครื่องชนอนุภาคแอลเอชซีเมื่อปี 2012 และกลายเป็นชิ้นส่วนจิ๊กซอว์ชิ้นสุดท้ายของทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคย่อยของอะตอมในปัจจุบันซึ่งมีชื่อว่า แบบจำลองมาตรฐาน

แผนการก่อสร้างเครื่องชนอนุภาควงกลมแห่งอนาคตอันใหม่นี้จะแบ่งออกเป็น 2 ช่วง ช่วงแรกจะเริ่มต้นขึ้นช่วงกลางทศวรรษ 2040 ก่อนจะต่อเครื่องเร่งอนุภาคเข้าด้วยกัน ด้วยความหวังว่ามันจะช่วยเพิ่มพลังงานและสร้างอนุภาคฮิกส์จำนวนมาก เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาในรายละเอียดได้มากขึ้น

ส่วนระยะที่สองจะเริ่มขึ้นประมาณปีทศวรรษ 2070 แต่มันต้องอาศัยพลังแม่เหล็กที่ทรงพลังและล้ำหน้าอย่างมากเกินกว่าสิ่งที่ถูกคิดค้นในตอนนี้ แทนที่นักวิทยาศาสตร์จะใช้อิเล็กตรอนในการค้นหาอนุภาคใหม่ ด้วยวิธีใหม่จะสามารถทำให้ใช้โปรตอนที่มีน้ำหนักมากกว่าได้

เครื่องชนอนุภาคเอฟซีซีจะมีขนาดเส้นรอบวงใหญ่เกือบ 3 เท่าเมื่อเทียบกับเครื่อง LHC จะมีความสูง 91 กิโลเมตรและอยู่ลึกลงไปในใต้ดินอีก 2 เท่า สำหรับเหตุผลที่ต้องอยู่ลึกกว่าเดิมก็เพื่อป้องกันไม่ให้รังสีเข้มข้นที่เกิดจากพลังงานมหาศาล สามารถทะลุขึ้นมาบนชั้นพื้นผิวได้

ทำไมพวกเขาจึงต้องการเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ?

เหตุผล คือ เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ซึ่งมูลค่าในการก่อสร้างราว 3.75 พันล้านปอนด์ (ประมาณ 168,750 ล้านบาท) ได้เริ่มดำเนินการมาตั้งแต่ปี 2008 ยังไม่สามารถหาอนุภาคที่ช่วยอธิบายว่าอีก 95% ของอวกาศคืออะไร

นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามค้นหาสิ่งลึกลับขนาดใหญ่ 2 อย่าง อันแรกคือแรงที่เรียกว่า “พลังงานมืด” ซึ่งทำหน้าที่ตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงและขับดันวัตถุในเอกภพ เช่น ดาราจักรให้แยกออกจากกัน และอีกสิ่งหนึ่งคือ “สสารมืด” ซึ่งไม่สามารถตรวจจับได้ แต่สามารถรับรู้การมีอยู่ของมันผ่านแรงโน้มถ่วง

“เรายังคงไม่สามารถหาสิ่งที่ยิ่งใหญ่สิ่งนั้นเจอในตอนนี้” ศาสตราจารย์จิโอโนตติบอกกับเรา

เธอบอกว่า จำเป็นต้องมีเครื่องชนอนุภาคเอฟซีซี เพราะการค้นพบอนุภาคมืดเหล่านี้จะนำไปสู่ทฤษฎีใหม่ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นว่าเอกภพทำงานอย่างไร

มากกว่า 20 ปีที่นักวิจัยจำนวนมากจากเซิร์นทำนายว่า เครื่องชนอนุภาคแอลเอชซีจะสามารถหาอนุภาคลึกลับได้ แต่ปรากฏว่า มันยังคงหาไม่เจอ

ในบรรดานักวิพากษ์อย่าง ดร.ซาบีน ฮอสเซนเฟลเดอร์ จากสถาบันการศึกษาขั้นสูงแห่งแฟรงเฟิร์ต บอกว่า ไม่มีอะไรรับประกันได้ว่า เครื่องเร่งอนุภาคอันใหม่จะประสบความสำเร็จ

“ฟิสิกส์อนุภาคคือพื้นที่การวิจัยที่มีขนาดใหญ่มากและได้รับทุนสนับสนุนมาด้วยดีตลอดด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ โดยแตกแขนงมาจากฟิสิกส์นิวเคลียร์ แต่มันควรถูกลดขนาดลงให้เหมาะสม อาจเหลือเพียง 1 ใน 10 จากขนาดปัจจุบัน” เธอกล่าว

ศาสตราจารย์ เซอร์ เดวิด คิง อดีตหัวหน้าที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์ของรัฐบาลสหราชอาณาจักรบอกกับบีบีซีว่า เขาเชื่อว่าการใช้เงิน 1.7 หมื่นล้านปอนด์ (ประมาณ 765,000 ล้านบาท) ในโครงการนี้จะเป็น “เรื่องสุรุ่ยสุร่าย”

“เมื่อโลกกำลังเผชิญกับภัยคุกคามจากสภาวะฉุกเฉินด้านภูมิอากาศ มันจะไม่ฉลาดกว่านี้หรือ หากส่งเงินทุนงานวิจัยเหล่านี้ไปสู่ความพยายามสำหรับการสร้างอนาคตที่จัดการได้ ?”

นอกจากนี้ ยังมีการถกเถียงระหว่างเหล่านักฟิสิกส์อนุภาคว่า เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ คือตัวเลือกที่ดีที่สุดหรือไม่

ศาสตราจารย์ไอดัน ร็อบสัน จากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ บอกกับบีบีซีว่า เครื่องเร่งอนุภาคที่สร้างขึ้นเป็นเส้นตรงจะมีราคาถูกกว่า

“มันมีข้อได้เปรียบอยู่ 3 ประการ ประการแรกคือ เครื่องแบบเส้นตรงสามารถสร้างได้ขึ้นเป็นขั้นเป็นตอน ประการที่สอง คือ ลักษณะต้นทุนการก่อสร้างค่อนข้างจะแตกต่างกันมาก ดังนั้น ในระยะแรกอาจจะใช้ค่าใช้จ่ายน้อยกว่าระยะถัดไป ส่วนประการที่สาม อุโมงค์มีความยาวสั้นกว่า ทำให้สร้างสำเร็จได้เร็วกว่า” เขาบอก

แต่เครื่องเร่งอนุภาคเอฟซีซีดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่เซิร์นต้องการ และอยู่ในขั้นตอนการประเมินท่าทีต่อแผนดังกล่าวจากชาติสมาชิก 70 ประเทศ ซึ่งชาติสมาชิกทั้งหมดต้องออกค่าใช้จ่ายสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์อันใหม่นี้