ทำไมการส่งปฏิสสารบนถนนเป็นครั้งแรกของโลกของ CERN ถึงสำคัญ

เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมามีข่าวว่านักวิจัยจาก CERN ได้ทำการทดลองขนย้ายปฏิสสารไปบนท้องถนนด้วยรถบรรทุกซึ่งนับได้ว่าเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์โลกที่มีการขนย้ายปฏิสสารออกจากถังเก็บและขนส่งทางถนน ซึ่งสิ่งนี้เรียกได้ว่าจุดครั้งสำคัญของวงการฟิสิกส์โลกที่จะเปิดโอกาสอีกมากมายในการสำรวจสิ่งที่เรียกว่า ปฏิสสาร แบบที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน

CERN คือสถานที่เดียวบนโลกในเวลานี้ที่สามารถผลิตปฏิสสารและเก็บรักษามันไว้ได้ และสิ่งนั้นคือข้อเสีย เพราะแสดงว่านักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกสารทิศต้องเดินทางมายัง CERN เพื่อทำการศึกษาปฏิสสาร สิ่งนี้เป็นข้อจำกัดที่ใหญ่หลวงในงานการศึกษาปฏิสสารและทำให้การศึกษาปฏิสสารอยู่แค่ในกลุ่มวงแคบมาก

เพื่อที่จะขยายองค์ความรู้เกี่ยวกับการศึกษาปฏิสสารนั้นหมายความว่าต้องหาทางให้ปฏิสสารไม่ได้จำกัดอยู่แค่ห้องแลปของ CERN เท่านั้น แต่คำถามคือเราจะทำยังไงที่ทำให้ห้องแลปที่ห่างออกไปแค่ตึก ๆ ข้างทำการศึกษาปฏิสสารได้โดยที่ปฏิสสารไม่อันตรธานหายไปเสียก่อน

การเก็บรักษาและเคลื่อนย้ายปฏิสสารนับว่าเป็นสิ่งที่ยากและท้าทายเป็นอย่างมาก เพราะอย่างที่ทราบกันดีคือ ปฏิสสารไม่สามารถสัมผัสกับสสารได้ หากมันสัมผัสกัน พลังงานทั้งหมดที่อยู่ในรูปของมวลสารจะสลายตัวอย่างทันทีกลายเป็นพลังงานบริสุทธิ์ และอย่างที่เราทราบกัน โลกของเราทั้งใบสารขึ้นมาจากสสารปกติ แปลว่าไม่ว่ามองไปทางไหนบนโลกนี้ก็เต็มไปด้วยสสารและพร้อมที่จะทำให้ปฏิสสารสลายตัวตลอดเวลา ดังนั้นเพื่อเก็บรักษาปฏิสสารไว้ พวกเขาจำเป็นต้องเก็บในสถานที่ปิดในสภาวะสูญญากาศที่ดีที่สุดในโลก เพื่อป้องกันอะตอมของก๊าซในชั้นบรรยากาศมาสัมผัสกับปฏิสสาร และเพื่อป้องกันไม่ให้สัมผัสกับพื้นผิวของภาชนะที่เป็นสสาร นักวิทยาศาสตร์เลยต้องสร้างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าขึ้นมาเพื่อควบคุมให้ปฏิสสารลอยอยู่แค่ภายพื้นที่โล่ง สูญญากาศและไม่สัมผัสกับอะไรเลย

ทั้งหมดเหมือนจะดูดีแต่จริง ๆ ตอนนี้เราจะน่าขนย้ายได้แล้ว แต่คำตอบก็คือไม่เลย สิ่งที่เราพูดมาทั้งหมดเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ยึดติดอยู่กับที่เคลื่อนย้ายไม่ได้ ถึงเราจะเคลื่อนย้ายไม่ได้ แต่เราก็ยังสามารถที่จะเอาปฏิสสารเหล่านี้มาทำการศึกษาคุณสมบัติทางควอนตัมเหล่านั้นได้ใช่ไหม

และคำตอบมันก็คือ ไม่ ทำไม่ได้ เพราะภายในถังเก็บก็ดันอยู่ใกล้กับเครื่องเร่งอนุภาคที่มีความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็กสูงมาก ทำให้เมื่อทำการสังเกตการณ์ทางควอนตัมแล้ว ให้ค่าข้อมูลที่วิ่งไปมายากต่อการทำตรวจวัด และนั้นหมายความว่าถ้าให้ง่ายต่อการตรวจวัด เราต้องย้ายสถานที่ศึกษาปฏิสสารไปยังที่อื่นที่ง่ายต่อการทำงานมากกว่าข้างเครื่องเร่งอนุภาค นั้นจึงเป็นที่มาของ BASE ที่ CERN สร้างและทดสอบขนส่งปฏิสสารผ่านรถบรรทุก

โครงการ BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) เป็นโครงการสร้างภาชนะเพื่อทดสอบการขนย้ายปฏิสสารด้วยรถบรรทุก ซึ่งสิ่งนี้คือการสร้างตู้เย็นที่มีเครื่องสร้างสนามแม่เหล็กอยู่ภายใน เพื่อการบรรจุและขนส่งปฏิสสาร (antiproton) ทั้งหมด 92 อนุภาค ซึ่งสิ่งนี้นับว่าเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก เพราะรู้กันว่าการขนของด้วยรถบรรทุกมันมีการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของรถบรรทุก หรือแม้แต่แรงเฉื่อยจากการเคลื่อนที่ สิ่งนี้คือปัญหาและปฏิสสารอาจจะไปชนกับผนังของภาชนะได้

ดังนั้นเพื่อสร้างภาชนะสำหรับใส่ปฏิสสารที่เหมาะสำหรับการขนส่งด้วยรถบรรทุกเราต้องเริ่มจาก principal แรกสุดของเราก่อนคือภาชนะของเราต้องไม่มีสสารอยู่เลย นั้นทำให้ภายในภาชนะต้องมีสภาวะที่เป็นสุญญากาศและมีอะตอมสสารอยู่น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดย CERN ได้กล่าวว่าภายในภาชนะ BASE นี้มีสภาวะที่เป็นสุญญากาศทียอดเยี่ยมที่สุดในเอกภพ โดยมีจำนวนอะตอมที่น้อยกว่าค่าเฉลี่ยอะตอมต่อปริมาตรใน Interstellar Meduim เสียอีก ทำให้มันคือห้องสุญญากาศที่ดีที่สุดในโลก ณ เวลานี้

ต่อมาภายในภาชนะต้องมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าล้อมรอบอยู่ เพื่อสร้าง Penning Trap สนามแม่เหล็กแนวแกนที่มีความสม่ำเสมอสูง (Homogeneous Axial Magnetic Field) เพื่อบังคับให้อนุภาควิ่งวนเป็นวงกลมในระนาบรัศมี (Cyclotron motion) และ สนามไฟฟ้าแบบควอดรูโพล (Quadrupole Electric Field) เพื่อกักขังอนุภาคไม่ให้หลุดรอดออกไปในแนวแกน (Axial motion) เพราะถ้าปฏิสสารยังคงเคลื่อนที่อยู่ตามแนวแกน มันจะไม่ลอยไปชนกับผนังที่เป็นสสาร

สุดท้ายคือการทำให้มันเย็น ปฏิสสารยังคงมีคุณสมบัติที่เหมือนกับสสารปกติคือหากมันร้อน มันจะมีพลังงานสะสมที่เยอะ และนั้นทำให้มันเคลื่อนที่เร็วและยากต่อการควบคุมให้อยู่ใน Penning Trap แต่การทำให้มันเย็นด้วยวิธีปกติมันแทบเป็นไปไม่ได้เพราะพลังงานที่ใช้ในการสร้างปฏิสสารขึ้นมานั้นมากถึง 26 GeV พลังงานความร้อนที่สะสมอยู่ภายในปฏิสสารย่อมมาก วิธีปกติในการทำให้ของที่ร้อนเย็นลงคือการแผ่รังสีไม่ก็ใช้อะไรสักอย่างแลกเปลี่ยนความร้อนกับของที่ร้อน แต่ประเด็นคือ Antiproton มันแผ่รังสีเองไม่ได้เพราะมันไม่มีอิเล็กตรอนที่ทำหน้าที่แผ่ balck body radiation และเราเอาสสารไปสัมผัสและดูดความร้อนของมันไม่ได้ด้วย (เพราะไม่งั้นมันจะระเบิด) ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์เลยต้องหาอิเล็กตรอนให้กับมัน พวกเขาเลยทำสิ่งที่บ้ามากคือการเอาอิเล็กตรอนของสสารจำนวนมหาศาลเข้าไปวิ่งกับปฏิสสาร เพื่อหวังว่าอิเล็กตรอนจะชนกับ Antiproton แล้วมันจะผลักกัน ระหว่างการผลักกันจะเกิดการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมและพลังงาน ทำให้ความร้อนบางส่วนของ Antiproton มันโดนดูดซับด้วยอิเล็กตรอนและอุณหภูมิของ Antiproton จะลดลง ส่วนอิเล็กตรอนที่ดูดซับความร้อนไปก็จะคายพลังงานความร้อนออกมาด้วย Cyclotron Radiation ในรูปแบบของคลื่นไมโครเวฟ

ด้วยกระบวนการทั้งหมดนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ CERN จึงได้สร้าง Chamber ทั้งหมดสองส่วนแยกจากกัน ส่วนแรกคือ Trapping Antiproton ทำหน้าที่ในการลดอุณหภูมิของ Antiproton เท่านั้น อีกส่วนหนึ่ง Storage Trap ทำหน้าที่ในการเก็บปฏิสสารให้อยู่ภายในนั้นอย่างเสถียร โดยระบบทั้งหมดจะมีอุณหภูมิอยู่ที่ 4 เคลวิน เพื่อให้เย็นที่สุดและป้องกันพลังงานความร้อนจากภายนอกเข้ามารบกวนการเก็บรักษาปฏิสสาร

โดยโครงสร้างของ BASE เป็นถัง Cyclogenic ขนาดใหญ่ที่บรรจุในกล่องคอนเทนเนอร์ขนาดใหญ่อีกทีหนึ่ง โดยทั้งหมดมีน้ำหนักมากกว่า 800 กิโลกรัม และมันจะถูกขนส่งด้วยรถพ่วง โดยเส้นทางการทดสอบครั้งแรกจะทำให้การบรรจุ Antiproton ทั้งหมด 92 อนุภาค และทำการทดสอบโดยเคลื่อนย้ายเป็นระยะทางกว่า 10 กิโลเมตร ภายในพื้นที่ของห้องปฏิบัติการ CERN บริเวณใกล้กรุงเจนีวา โดยใช้เวลาเดินทางประมาณ 30 นาที และทำความเร็วสูงสุดที่ 47 กิโลเมตรต่อชั่วโมงตลอดการเดินทาง

ซึ่งจากการคำนวณแล้วหากเกิดข้อผิดพลาดของระบบและการขนส่งขึ้นจนทำให้ปฏิสสารสัมผัสกับสสารขึ้นมา พลังงานที่ปฏิสสารทั้งหมด 92 ตัวจะปลดปล่อยออกมาคือ $E \approx 2.76 \times 10^{-8} Joules$ หรือ 0.0000000276 Joules ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่เล็กน้อยมาก น้อยกว่าพลังงานที่เกิดขึ้นจากยุงขยับปีกในอากาศถึง 4 เท่า ดังนั้นต่อให้เกิดการสัมผัสกัน มันก็ไม่ก่อให้เกิดอันตรายใด

ซึ่งสุดท้ายแล้วการทดลองการขนส่งนี้เป็นไปได้ด้วยดีและประสบความสำเร็จ ซึ่งการบุกเบิกการขนส่งปฏิสสารนี้จะเปิดโอกาสในการศึกษาปฏิสสารใหม่ ๆ อีกมาก ที่อาจจะทำให้เราเข้าใจเอกภพวิทยาและวิวฒนาการของเอกภพของเราได้เพิ่มมากขึ้น

เพราะการขนส่งเปิดโอกาสใหม่เสมอ

ตลอดหน้าประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ “การขนส่ง” คือฟันเฟืองชิ้นสำคัญที่สุดที่ขับเคลื่อนอารยธรรม จากเส้นทางสายไหมโบราณไปจนถึงเส้นทางการเดินเรือข้ามทวีป การเคลื่อนย้ายสินค้าข้ามพรมแดนไม่เคยเป็นเพียงแค่การส่งมอบสิ่งของ แต่มันคือสะพานเชื่อมที่ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนแนวคิด ศาสนา วัฒนธรรม และองค์ความรู้ ซึ่งนำไปสู่การทลายกรอบความคิดเดิมและจุดประกายให้เกิดศาสตร์แขนงใหม่ ๆ ขึ้นมาบนโลก

ซึ่งสิ่งนี้เห็นได้ชัดในยุคปัจจุบันที่โลกมีเครือข่ายโลจิสติกส์ที่ซับซ้อน ทรงประสิทธิภาพ และเข้าถึงได้ง่ายกว่าในอดีตที่ทำให้การส่งมอบของนั้นสั้นลงจากหลักเดือนเหลือเพียงไม่กี่วันและสร้างโอกาสที่คนในยุคศตวรรษก่อนไม่อาจจินตนาการถึง ซึ่งหากเรามองลึกลงไปในแก่นแท้ การขนส่งปฏิสสารของ CERN ในครั้งนี้ ก็กำลังทำหน้าที่เดียวกันในศาสตร์ด้าน High Energy Physics

การทดลองขนส่งปฏิสสารจึงไม่ได้เป็นแค่การขนส่งปฏิสสารจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง แต่มันคือการเปิดโอกาสในการศึกษาปฏิสสารเพิ่มมากยิ่งขึ้นและมันจะไม่จำกัดแค่ห้องปฏิบัติการของ CERN อีกต่อไป สิ่งนี้จะเปิดโอกาสให้สถาบันการศึกษาชั้นแนวหน้าของโลก ภาคเอกชน ภาคพลเรือนสามารถเข้าถึงปฏิสสาร ด้วยเครื่องมือที่แตกต่างและหลากหลายไปมุมมองในการทำความเข้าใจ ซึ่งจะนำพามาศึ่งองค์ความรู้ที่มากกว่าเดิมและสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดมันจะไม่ได้จำกัดอยู่แค่ใน CERN อีกต่อไป

การศึกษาปฏิสสาร แม้มันจะดูเป็นแค่สสารที่เป็นกระจกเงาสะท้อนของสสารปกติที่เรามีอยู่กันแต่มันคือการที่เราทำความเข้าใจช่วงเวลาหนึ่งของเอกภพหลังการกำเนิดของ Big Bang ที่เราทำนายว่าช่วงเวลานั้นเอกภพควรจะให้กำเนิด สสารและปฏิสสารในจำนวนใกล้เคียงกันและทั้งคู่ความที่จะชนกัน หักล้างกันและสูญหายไปในเอกภพโดยรวมทั้งสิ้น หรืออย่างน้อย ๆ เอกภพในตอนนี้ควรจะมีสสารและปฏิสสารในจำนวนที่เท่ากัน แต่กลับกลายเป็นว่าเอกภพในปัจจุบันกลับเต็มไปด้วยสสาร และไม่พบปฏิสสารเลย นั้นทำให้เกิด Matter-antimatter asymmetry ที่เป็นข้อถกเถียงของนักทฤษฎี ซึ่งการปล่อยให้ปฏิสสารออกไปทำการศึกษาในสถาบันภายนอกเพิ่มเติมมันจะช่วยทำให้เราทำความเข้าใจสิ่งเหล่านี้เพิ่มมากยิ่งขึ้นและเปิดโอกาสให้มนุษย์เข้าใกล้ความจริงของจักรวาลมากยิ่งขึ้น

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co