เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider หรือ LHC เป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่และให้พลังงานสูงที่สุดที่มนุษย์เคยสร้างมา เป็นความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์หลายพันคนในเกือบร้อยประเทศ เป้าหมายของโครงการนี้ก็เพื่อทดสอบและยืนยันทฤษฏีที่เรามีอยู่ในปัจจุบัน เกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน และค้นหาหลักฐานต่างๆที่จะเป็นกุญแจสร้างทฤษฏีใหม่เพื่อไขความลับของจักรวาล

หลักการ

    ใช้ธรรมเนียมปฏิบัติของนักฟิสิกส์ที่มีมากว่าหลายสิบปี นั่นคือ เมื่อนักฟิสิกส์อยากรู้ว่าภายในวัตถุหรืออะตอมมีองค์ประกอบมูลฐานอะไรบ้าง ก็จับมันมาชนกัน หรือยิงอะไรสักอย่างเข้าใส่มัน เพื่อให้เกิดการแตกตัวหรืออาจจะรวมตัวเกิดเป็นอนุภาคใหม่ๆ ตัวอย่างเช่น รัทเทอร์ฟอร์ดยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปในแผ่นทองคำบางๆ ทำให้รู้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสขนาดเล็กตรงกลางและอิเล็กตรอนโคจรอยู่ รอบนอก การทดลองที่เซิร์นก็ใช้หลักการเดียวกัน มีการเร่งอนุภาคให้ชนกันแล้วดูว่าเกิดอะไรขึ้นบ้าง และมีการพัฒนาและปรับปรุงให้ระดับพลังงานของการชนสูงขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งได้เครื่อง LHC ในปัจจุบัน
     
    ปัจจุบัน เรารู้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ภายในโปรตอน(และนิวตรอน)ประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่า ควาร์ก (quark) จำนวน 3 ตัว    เราเรียกอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กว่าเป็นอนุภาคประเภท Hadron      อนุภาคที่จะใช้ชนในเครื่อง LHC ทั้งหมดเป็น Hadron จึงเป็นที่มาของชื่อเครื่องนี้   

    ในขั้นแรกนี้จะใช้โปรตอนในการชน   อนุภาคโปรตอนทั้งหมดในการทดลองแต่ละครั้งรวมกันได้ประมาณเท่าเม็ดทรายเม็ด เล็กๆ แต่มีความเร็วสูงมากใกล้ความเร็วแสงและมีพลังงานเทียบเท่ารถไฟ 1 ขบวน     สภาวะพลังงานสูงของอนุภาคที่กำลังชนกันดังกล่าวใกล้เคียงกับสภาวะตอนกำเนิด จักรวาล หรือ Big Bang

วิทยาศาสตร์จากเครื่อง LHC

สิ่งที่เราจะได้จากการทดลองนี้คือการทดสอบทฤษฏีและการค้นหาหลักฐานเพื่อนำ ไปสู่ทฤษฏีใหม่ที่สมบูรณ์มากขึ้น ขอยกหัวข้อต่อไปนี้เป็นตัวอย่าง

• การค้นหาว่ามวลคืออะไร มาจากไหน    มวลในภาษาชาวบ้านก็คือเนื้อสสาร ซึ่งต่างจากน้ำหนักที่เกิดจากแรงดึงดูดของโลก เมื่อเราออกไปอยู่นอกโลกเราก็สามารถอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักได้ แต่ยังมีมวลอยู่    นักฟิสิกส์คิดกันว่ากลไกที่ทำให้เกิดมวลคือกลไกของฮิกก์ Higgs Mechanism แต่ที่ผ่านมาเราไม่สามารถทดสอบและยืนยันได้เนื่องจากระดับพลังงานไม่สูง พอ     แต่วันนี้ LHC มีพลังงานที่น่าจะสูงพอสำหรับทดสอบกลไกของฮิกก์ และศ้นหาอนุภาคที่ชื่อว่า Higgs Boson
• การค้นหาแม่เหล็กขั้วเดี่ยว (Magnetic Monopole)    ในทางทฤษฏีเราเชื่อกันว่ามีแม่เหล็กขั้วเดี่ยว แต่เราไม่เคยพบในธรรมชาติ     แม่เหล็กปกตินั้นจะมีสองขั้ว คือเหนือและใต้ หากนำมาหักเป็นสองท่อน แต่ท่อนก็จะกลายเป็นแท่งแม่เหล็กเหนือใต้เหมือนเดิม เพียงแต่ขนาดเล็กลง ไม่ได้กลายเป็นขั้วเหนือและใต้เดี่ยวๆแยกจากกัน ไม่ว่าจะหักเป็นท่อนเล็กๆสักกี่ครั้งก็ตาม     ซึ่งต่างกับกรณีของประจุไฟฟ้าที่เราพบประจุบวกและลบแยกเป็นอิสระจากกัน ได้      นักฟิสิกส์หลายคนหวังว่าในระดับพลังงานที่สูงมากของ LHC เราอาจจะสร้างแม่เหล็กขั้วเดี่ยวได้ ซึ่งจะช่วยคลี่คลายปริศนานี้ 
• อื่นๆเช่น การค้นหาอนุภาคใหม่ๆ  การวัดมวลของควาร์กให้แม่นยำมากขึ้น การศึกษามิติเสริม (extra dimension)  การหาแนวทางรวมทฤษฏีควอนตัมและทฤษฏีสัมพัทธภาพเข้าด้วยกัน เป็นต้น

หลุมดำ

          เรื่อง นี้จริงๆไม่ใช่ประเด็นหลักของการทดลองในครั้งนี้  แต่มีหลายคนคิดไปว่าพลังงานของ LHC อาจจะสูงมากพอจนทำให้เกิดหลุมดำขนาดจิ๋วดูดกลืนโลกเข้าไป     ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับเรื่องนี้มีดังต่อไปนี้

          ทฤษฏีที่ได้รับการยอมรับและพิสูจน์แล้วในปัจจุบันนั้นเชื่อว่าระดับพลังงาน ของ LHC ไม่น่าจะสูงพอให้เกิดหลุมดำได้    แต่ก็มีทฤษฏีใหม่ๆที่ถูกเสนอขึ้นมาที่เชื่อว่ามีกลไกพิเศษบางอย่างที่อาจจะ ทำให้เกิดหลุมดำได้ เช่น บางทฤษฏีเสนอว่ามีมิติเสริม (นอกเหนือไปจาก 3 มิติของอวกาศ และ 1 มิติของเวลา) ที่สามารถช่วยให้หลุมดำเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น  อย่างไรก็ตาม ทฤษฏีใหม่ๆเหล่านี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์  (หากเกิดจริงก็จะเป็นการพิสูจน์ไปในตัว)

          หลุมดำจิ๋วนี้ต่างจากหลุมดำที่เราคุ้นเคย      หลุมดำที่เราคุ้นเคยและนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีอยู่จริงคือหลุมดำขนาดใหญ่ ในใจกลางกาแลกซี่ มีมวลมหาศาลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา      หากเรายุบดวงอาทิตย์ให้เล็กลงจนเหลือขนาดเท่ากำปั้น มันก็จะกลายเป็นหลุมดำที่ดูดทุกสิ่งทุกอย่างได้   ดังนั้น หากเริ่มต้นจากอนุภาคเล็ก หลุมดำจิ๋วที่อาจจะเกิดขึ้นก็ต้องมีขนาดเล็กมาก โดยขนาดเล็กสุดที่เกิดขึ้นได้คือ 10-35 เมตร (หนึ่งในล้านล้านล้านล้านล้านล้านเท่า ของ 1 เมตร) วัตถุต้องอยู่ในระยะประมาณ 10-35 เมตร จากใจกลางหลุมดำจิ๋ว จึงจะโดนดูดเข้าไป    ด้วยขนาดที่เล็กมากทำให้มันสามารถเคลื่อนที่ทะลุวัตถุต่างๆ (รวมถึงตัวเรา) โดยไม่ส่งผลใดๆ  และหากมันอยู่นิ่งกับที่ก็จะใช้เวลาหลายพันล้านปีกว่ามันจะเริ่มสะสมมวลจนมี ขนาดใหญ่ขึ้นขนาดสามารถดูดโลกเข้าไปได้อย่างที่หลายคนกลัว

          หลุมดำจิ๋วที่เกิดขึ้นไม่น่าจะเสถียรและควรหายไปภายในพริบตา (ต่างจากหลุมดำขนาดใหญ่ในใจกลางกาแลกซี่) กลไกที่ทำให้หลุมดำจิ๋วสลายตัวคือการแผ่รังสีของฮอร์กิ้ง (Hawking’s Radiation) ที่ปลดปล่อยพลังงานและอนุภาคออกมาหลุมดำ       หากเกิดหลุมดำขนาดจิ๋วจริงก็จะเป็นการพิสูจน์ทฤษฏีของฮอว์กิ้งไปในตัว และจะเป็นครั้งแรกที่เราจะได้ตรวจวัดอนุภาคที่แผ่ออกมาจากหลุมดำ

          รังสีคอสมิก (cosmic ray) หรืออนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศมีพลังงานสูงกว่า LHC มากและตกกระทบโลกอยู่ตลอดเวลา หากมีกลไกที่ทำให้เกิดหลุมดำจิ๋วจริง มันก็ควรเกิดอยู่ตลอดเวลาในชั้นบรรยากาศโลกเนื่องจากการชนของรังสีคอสมิก แสดงว่าหากมันเกิดขึ้นได้ มันก็ไม่เป็นอันตราย


สรุป หลุมดำอาจจะเกิดขึ้นได้และอันตรายถ้า...
   ถ้าที่ 1. ถ้ามีกลไกพิเศษนอกเหนือไปจากทฤษฏีที่ยอมรับกันในปัจจุบัน ทำให้มันเกิดได้ที่ระดับพลังงานของ LHC
   ถ้าที่ 2. ถ้าทฤษฏีของฮอว์กิ้งผิด หลุมดำจิ๋วเกิดแล้วไม่สลายตัวไป
   ถ้าที่ 3. ถ้ามีกลไกพิเศษที่ช่วยให้หลุมดำเกิดขึ้นในปริมาณมากๆ (ไม่ใช่แค่หลุมเดียว)
   ถ้าที่ 4. ถ้าหลุมดำที่เกิดขึ้นยังวนเวียนอยู่ในอาณาบริเวณของโลกของเราเป็นเวลานานๆ หลายพันล้านปี ไม่เคลื่อนที่ทะลุออกไปเสียก่อน

    แต่จากเหตุผลที่กล่าวไว้ข้างต้น นักฟิสิกส์เชื่อว่าอันตรายจากหลุมดำฝีมือมนุษย์นั้นไม่มี

ผู้เขียน: ดร. พิเชษฐ กิจธารา http://www.vcharkarn.com/varticle/38168