เครื่องเร่งอนุภาคคืออะไร
เครื่องเร่งอนุภาคคืออะไร เครื่องเริ่งเร่งอนุภาค เริ่มตั้งแต่ปี 1930 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาหม้อแปลงไฟฟ้าขนาด 200,000 โวลต์ และเร่งโปรตอนบนทางตรง แม้ว่าเครื่องจะไม่บรรลุวัตถุประสงค์ แต่ก็เริ่มต้นการแสวงหาเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้
โดยเครื่องเร่งอนุภาคเป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่ ที่ขับเคลื่อนอนุภาคย่อยด้วยความเร็วสูง โดยใช้สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก ทางเทคนิคมากขึ้น มันคือเครื่องจักร ที่เร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้ใกล้เคียงกับความเร็วแสง และบรรจุไว้ในลำแสงที่กำหนดไว้อย่างดี โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า
ในศตวรรษที่ 20 เครื่องเร่งอนุภาคได้ถูกเรียกว่า เครื่องทุบอะตอม ชื่อนี้ยังคงอยู่แม้ว่าเครื่องเร่งอนุภาคในปัจจุบันจะชนกันระหว่างอนุภาคย่อยของอะตอม 2 อนุภาค แทนที่จะเป็นนิวเคลียสของอะตอม
โดยการชนกันของอนุภาคดังกล่าว สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่า จักรวาลทำงานอย่างไร เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงมีประโยชน์อย่างมาก สำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐาน และประยุกต์ในสาขาต่าง ๆ ตั้งแต่อิเล็กทรอนิกส์ และการแพทย์ ไปจนถึงความปลอดภัยระดับสากล
เราได้กล่าวถึงข้อเท็จจริง และสถิติที่น่าสนใจที่สุดบางส่วน เกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ที่จะจุดประกายความสนใจของคุณ ในฟิสิกส์ของอนุภาค เริ่มจากพื้นฐานกันก่อน ดังนี้
1.1 ประเภทของเครื่องเร่งอนุภาค Electrostatic Accelerators : ใช้สนามไฟฟ้าสถิต เพื่อเพิ่มความเร็วของอนุภาคที่มีประจุ อนุภาคบวกจะดึงดูดไปยังเพลตที่มีประจุลบ ในขณะที่อนุภาคลบจะดึงดูดไปยังเพลตที่มีประจุบวก
ซึ่มีการทำงานเรียบง่าย ไม่ซับซ้อน ราคาไม่แพง และมีพลังงานอย่างจำกัด ซึ่งหมายความว่า พวกมันไม่สามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงมากได้ พลังงานจลน์สูงสุดของอนุภาคขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าเร่ง ซึ่งถูกจำกัดโดยปรากฏการณ์ ที่เรียกว่า การสลายทางไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Cockcroft-Walton เป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของเครื่องเร่งไฟฟ้าสถิต คือ หลอดรังสีแคโทดของจอคอมพิวเตอร์รุ่นเก่า ๆ เป็นตัวอย่างขนาดเล็กของตัวเร่งความเร็วประเภทนี้
1.2 Electrodynamic Accelerators : ใช้การปรับเปลี่ยนสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (ไม่ว่าจะเป็นคลื่นความถี่วิทยุสั่นหรือการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก) เพื่อเร่งอนุภาค
ในอุปกรณ์เหล่านี้ อนุภาคจะถูกส่งผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดียวกันหลายครั้ง จึงสามารถบรรลุความเร็วที่สูงกว่าในเครื่องเร่งไฟฟ้าสถิตได้มาก พลังงานจลน์สูงสุดของอนุภาคไม่ได้จำกัดอยู่ที่ความเข้มของสนามเร่ง
คันเร่งเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทเพิ่มเติม ดังนี้
- เชิงเส้น (Linear) ซึ่งอนุภาคเร่งเป็นเส้นตรง
- วงกลม (Circular) ซึ่งอนุภาคจะโค้งงอเป็นวงกลมอย่างคร่าว ๆ โดยใช้สนามแม่เหล็ก อนุภาคจะเคลื่อนที่ในวงโคจรนี้ จนกว่าจะมีพลังงานเพียงพอ
2. เครื่องเร่งอนุภาคทำงานอย่างไร
ในระดับพื้นฐาน เครื่องเร่งอนุภาคจะสร้างลำอนุภาคที่มีประจุ ซึ่งใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยจำนวนมาก โดยปกติ ลำแสงจะประกอบด้วย อนุภาคย่อยของอะตอมที่มีประจุ (เช่น โปรตอน และอิเล็กตรอน) แต่ในบางกรณี จะใช้อะตอมทั้งหมดของธาตุที่หนักกว่า (เช่น ยูเรเนียม และทอง)
ตัวอย่างเช่น ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม อนุภาคจะถูกเร่งอย่างต่อเนื่องในท่อกลม ความเข้มของสนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นในแต่ละรอบ ทำให้ระดับพลังงานของลำอนุภาคสูงขึ้น
เมื่ออนุภาคบรรลุความเร็วตามที่กำหนด เป้าหมาย (เช่น แผ่นโลหะบางๆ) จะถูกวางลงในรางของพวกมัน โดยที่เครื่องตรวจจับอนุภาคจะวิเคราะห์การชนกัน
โดยรวมแล้ว มีองค์ประกอบหลัก 6 ประการในตัวเร่งอนุภาค ดังนี้
2.1 Particle Source
ให้อนุภาค (เช่น อิเล็กตรอน หรือโปรตอน) ถูกเร่ง ตัวอย่างเช่น ก๊าซไฮโดรเจนขวดเดียว อาจเป็นแหล่งกำเนิดอนุภาคได้ ไฮโดรเจนหนึ่งอะตอม ประกอบด้ว ยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และโปรตอนหนึ่งตัว
2.2 Metal Pipe
ประกอบด้วย สุญญากาศที่ลำอนุภาคเดินทาง เครื่องดูดฝุ่นรักษาสภาพแวดล้อมที่ปราศจากฝุ่น เพื่อให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง
2.3 Electromagnets
ควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาค ขณะเคลื่อนที่ผ่านท่อโลหะ
2.4 Electric Fields
เปลี่ยนจากบวกเป็นลบเป็นประจำ สิ่งนี้จะสร้างคลื่นวิทยุที่เร่งความเร็วของอนุภาคที่มีประจุ
2.5 Targets
เมื่ออนุภาคบรรลุความเร็วที่ต้องการ พวกมันจะถูกชนกับเป้าหมายคงที่ บางครั้งลำแสงสองลำชนกัน
2.6 Detectors
บันทึกการชนกันของอนุภาค และเปิดเผยรังสี หรืออนุภาคย่อยที่สร้างขึ้นในกระบวนการ
3. เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก
เครื่องเร่งอนุภาคมากกว่า 30,000 เครื่อง กำลังทำงานอยู่ทั่วโลก ในจำนวนนี้ 44% ใช้สำหรับรังสีบำบัด 41% สำหรับการฝังไอออน 9% สำหรับการแปรรูปทางอุตสาหกรรม และ 4% สำหรับการวิจัยด้านชีวการแพทย์และพลังงานต่ำ
มีเพียง 1% ของตัวเร่งความเร็วที่มีอยู่เท่านั้น ที่สามารถผลิตพลังงานที่สูงกว่าหนึ่งพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ หรือ 1 GeV
ปัจจุบัน Large Hadron Collider เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก มันสามารถเร่งโปรตอนสองลำให้เร็วขึ้นเป็นพลังงาน 6.5 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ เมื่อลำแสงอันทรงพลังทั้งสองนี้ชนกัน จะทำให้เกิดพลังงานจุดศูนย์กลางมวลเท่ากับ 13 tera อิเล็กตรอนโวลต์ (TeV)
เครื่องตั้งอยู่ในอุโมงค์ลึก 175 เมตร มีเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร และวงแหวนแม่เหล็กสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่ 8.36 เทสลา
โครงสร้างประกอบด้วยแม่เหล็กไดโพลมากกว่า 1,000 ตัวแบบ end-to-end ซึ่งทำให้อนุภาคแข่งกันเกือบจะด้วยความเร็วแสง คือ อนุภาคหนึ่งเดินทางผ่านวงแหวน 27 กิโลเมตร 11,000 ครั้งต่อวินาที
ได้รับการพัฒนาโดย European Organisation for Nuclear Research โดยร่วมมือกับนักวิจัยมากกว่า 10,000 คน ห้องปฏิบัติการและมหาวิทยาลัยหลายร้อยแห่งจากกว่า 100 ประเทศ
อนุภาค Higgs boson ซึ่งบางครั้งเรียกว่า ‘God Particle’ ถูกค้นพบใน Large Hadron Collider ในปี 2012 ในปีเดียวกันนั้น นักฟิสิกส์ได้สร้างพลาสมาของควาร์ก-กลูออน ซึ่งอาจสูงถึง5.5 ล้านล้านองศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิสูงสุดที่บันทึกไว้โดย เครื่องจักรที่มนุษย์สร้างขึ้น
ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เครื่องจักรขนาดยักษ์นี้ จะสามารถช่วยให้นักฟิสิกส์ได้ทดสอบทฤษฎีต่าง ๆ ของฟิสิกส์อนุภาค รวมถึงการวิเคราะห์คุณสมบัติของ Higgs bosons การค้นหาอนุภาคมูลฐานใหม่ ๆ ที่แนะนำโดยทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด ตลอดจนความลึกลับอื่น ๆ ในจักรวาล
