ซิงโครทรอน Synchrotron

ดร. รพพน พิชา
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ

เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลทรอนมีความจำกัดในด้านขนาด การจะได้อนุภาคพลังงานสูง ต้องใช้ไซโคลทรอนที่มีรัศมีมาก และต้องใช้แม่เหล็กที่มีปริมาตรมากขึ้นด้วย ดังนั้นราคาการสร้างจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว พลังงานที่ได้จากไซโคลทรอน จึงจำกัดอยู่ที่ราว 500 MeV ในปัจจุบัน
 
 
ส่วนต่างๆ ของซิงโครทรอน
credit: Encyclopedia Britannica

ภายในซิงโครทรอนนั้น จะมีอนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงโค้งคล้าย ๆ กับในไซโคลทรอน ด้วยการใช้แม่เหล็กจำนวนมาก ซึ่งวางอยู่เป็นระยะ ๆ ตลอดแนวเครื่องเร่ง มาสร้างแรงแม่เหล็ก (F = q v B) ให้แก่อนุภาค โดยหลัก ๆ แล้วจะมีแม่เหล็กแบบสองขั้ว (dipole) ใช้ในการปรับทิศทาง และ แบบสี่ขั้ว (quadrupole) สำหรับบีบ (focus) ลำอนุภาค รัศมีความโค้ง (radius of curvature) ของอนุภาคในซิงโครทรอนจะมีค่าคงที่ เพราะว่าสนามแม่เหล็กของซิงโครทรอน จะถูกปรับให้เพิ่มตามพลังงานของอนุภาคที่เพิ่มขึ้น ซิงโครทรอนจึงมีรูปร่างคล้ายโดนัต ที่ตรงกลางเป็นที่ว่าง ในขณะที่ไซโคลทรอนจะเป็นกล่องกลวงรูปครึ่งวงกลม (Dee) สองอันวางต่อกัน ซิงโครทรอนมักจะไม่ทำงานโดยตัวเองเครื่องเดียว แต่มักจะรับอนุภาคพลังงานสูง ที่ถูกป้อนมาจากเครื่องเร่งอนุภาคชนิดอื่น เช่น ค็อกครอฟต์-วอลตัน (Cockcroft-Walton) แวนเดอแกรฟฟ์ (Van de Graaff) หรือ เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linac) อนุภาคจะถูกเพิ่มพลังงานด้วยสนามไฟฟ้าในขณะที่เคลื่อนผ่านช่องความถี่วิทยุ (radio-frequency cavity หรือ RF cavity) ซึ่งจะวางอยู่ที่ในตำแหน่งหนึ่งของซิงโครทรอน เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้า เคลื่อนเป็นวงโค้ง มันจะเสียพลังงานในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานที่ได้รับจาก RF cavity จะช่วยชดเชยพลังงานที่เสียไปนี้

 
 
ห้องควบคุมเครื่องเบวาทรอน (Bevatron)
credit: LBL

เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่สามารถทำให้อนุภาคมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง (c = 3x108 m/s) ซึ่งจะทำให้มีพลังงานรวมเท่ากับ E = sqrt(p2 c2 + m2 c4) โดยที่ p คือโมเมนตัม และ m คือมวลของอนุภาค

เครื่องซิงโครทรอนเครื่องแรกที่ใช้เร่งโปรตอน ถูกสร้างขึ้นในปีค.ศ. 1952 มีชื่อว่า คอสโมทรอน (Cosmotron) โดยตั้งขึ้นที่ Brookhaven National Laboratory (BNL) รัศมีโดยเฉลี่ยของเครื่องมีค่า 10 เมตร และสามารถเร่งโปรตอนให้มีพลังงานได้ถึง 3 GeV

 
 
วิศวกรของ LHC กับแม่เหล็ก
credit: BBC News

สองปีถัดมา ซิงโครทรอนอีกเครื่องหนึ่ง ชื่อเบวาทรอน (Bevatron) (สมัยก่อน GeV ใช้คำว่า BeV = billion eV) ก็ได้ถูกสร้างขึ้นที่เบิร์กลีย์ โดยมีรัศมีราว 18.2 เมตร ณ ที่นี้เองที่ค้นพบแอนติโปรตอน (antiproton) เมื่อปี ค.ศ. 1955 และค้นพบแอนตินิวตรอน (antineutron) เมื่อปี ค.ศ. 1956

เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) เป็นเครื่องซิงโครทรอนที่ใหญ่ที่สุดในโลกในขณะนี้ (ค.ศ. 2007) ด้วยเส้นรอบวงถึง 27 กม. LHC จะสามารถเร่งโปรตอนได้จนถึง 7 TeV ซึ่งจะสร้างพลังงานในการชนกันสูงถึง 14 TeV นอกจากนี้ยังสามารถเร่งไอออนชนิดอื่น ๆ ได้อีก (โปรตอนจะถูกเร่งได้ง่ายที่สุด เพราะมีมวลน้อยที่สุด) โดยตัวที่สำคัญคือตะกั่ว (Pb) โดย LHC จะสร้างพลังงานได้ถึง 5.75 TeV ต่อนิวคลีออนของตะกั่ว ซึ่งพลังงานที่สูงขนาดนี้ สามารถที่จะสร้างให้เกิดอนุภาคชนิดต่าง ๆ ออกมามหาศาล อีกไม่นานหลังจากการเดินเครื่อง เราก็จะได้นำข้อมูลต่าง ๆ จากการทดลองในเครื่องซิงโครทรอนพลังงานสูง เช่น LHC และ อื่น ๆ เหล่านี้ มาศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานเช่น ควาร์ก (quarks) เลปตอน (leptons) และอื่น ๆ

 
  แนวเครื่อง LHC บนชายแดนของฝรั่งเศส และสวิสเซอร์แลนด์
credit: CMS