ฟิสิกส์อนุภาค และ เซิร์นกับงานวิจัย

   เครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ CERN เร่งอนุภาคโปรตอนจำนวนมากมายมหาศาลให้มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง แล้วทำให้ชนกัน เพื่อสร้างสภาวะใกล้เคียงกับช่วงเศษเสี้ยววินาทีหลังจากมีการก่อกำเนิดเอกภพ การทดลองนี้มีนักวิทยาศาสตร์เข้าร่วมค้นคว้าวิจัยหลายพันคนจากกว่าร้อยประเทศทั่วโลก

   พวกเขาต้องการค้นหาคำตอบอะไร

   สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ บนโลก สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้เพราะได้รับการถ่ายโอนพลังงานจากดวงอาทิตย์ ทั้งทางตรงและทางอ้อม พลังงานจากแสงของดวงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร ดวงอาทิตย์จะมีวันดับหรือไม่ แล้วองค์ประกอบพื้นฐานของสสารคืออะไร ความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเหล่านี้กับแรงพื้นฐานในธรรมชาติเป็นอย่างไร ส่วนหนึ่งของคำถามเหล่านี้ จะถูกเผยคำตอบจากการค้นคว้าวิจัยของเซิร์น ซึ่งสามารถศึกษาได้จากบทเรียนออนไลน์เรื่องนี้ ที่ประกอบด้วย 2 หัวข้อหลัก ได้แก่ 1. ฟิสิกส์อนุภาค 2. เซิร์นกับงานวิจัย

วัตถุประสงค์ของสื่อ

   สื่อการเรียนรู้บทเรียนออนไลน์เรื่อง ฟิสิกส์อนุภาคและเซิร์นกับงานวิจัยนี้ มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแหล่งเรียนรู้ที่มีความน่าสนใจและช่วยสร้างเสริมความเข้าใจในเนื้อหาของหัวข้อฟิสิกส์อนุภาค ที่สอดคล้องกับผลการเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ.2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐานพุทธศักราช 2551

1.ฟิสิกส์อนุภาค

จุดประสงค์การเรียนรู้
   ระบุชนิด และ ความสำคัญของอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพ

   มนุษย์พยายามศึกษาและตั้งคำถามเกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของสสารมาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ มีการบันทึกไว้ว่าในปี 460 ก่อนคริสตกาล นักปรัชญาชาวกรีกชื่อ ดิโมคริตุส ได้ตั้งคำถามว่า ถ้าหากเราแบ่งสสารให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ จะสามารถแบ่งได้กี่ครั้ง และองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของสสารนั้นจะเป็นอย่างไร เขาได้ให้ชื่อองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของสสารว่า อะตอม (atom) ซึ่งเป็นภาษากรีกแปลว่า สิ่งที่ไม่สามารถตัดแบ่งได้อีกแล้ว

รูป 1.1 ภาพร่างดิโมคริตุสนักปรัชญาชาวกรีก เป็นผู้เริ่มเรียกส่วนที่แบ่งแยกไม่ได้อีกแล้วของสสารว่า อะตอม

   ในปี ค.ศ.1803 มีนักเคมีชาวอังกฤษชื่อดอลตัน (John Dalton) ได้เสนอว่าธาตุต่าง ๆ ประกอบด้วยอะตอมที่มีรูปร่าง มวล และสมบัติต่าง ๆ เฉพาะสำหรับธาตุแต่ละชนิด โดยที่อะตอมไม่สามารถถูกแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ หรือทำลายให้สิ้นสูญไปได้ และการเกิดปฏิกิริยาเคมีคือการรวม แยก หรือ การจัดเรียงใหม่ของอะตอมของธาตุแต่ละชนิด จากนั้น ในปี ค.ศ.1897 ทอมสัน (Joseph John Thomson) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองและพบว่าอะตอมมีองค์ประกอบภายในเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ ต่อมาภายหลังอนุภาคดังกล่าวได้รับการเรียกชื่อว่า อิเล็กตรอน (electron) จากนั้น จึงเป็นการเริ่มเปิดยุคแห่งการค้นคว้าวิจัยของสาขาฟิสิกส์อนุภาค ในการค้นหาคำตอบเชิงวิทยาศาสตร์ว่า สสารที่อยู่รอบตัวเรานั้น มีองค์ประกอบพื้นฐานเป็นอะไร

   เรื่องราวต่อไปนี้ เป็นฉบับย่อของประวัติความเป็นมาในความพยายามของมนุษย์เพื่อการหาคำตอบของคำถามที่ว่า “สสารรอบตัวเรา ประกอบขึ้นจากอะไร” โดยได้แบ่งช่วงเวลาตามความโดดเด่นของการค้นพบอนุภาคแต่ละชนิดดังต่อไปนี้

จุดเริ่มต้นของฟิสิกส์อนุภาค

   หลังจากที่ เจ. เจ. ทอมสัน (J.J. Thompson) ได้ค้นพบอิเล็กตรอน ทำให้เกิดความพยายามในการจินตนาการถึงองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร หรือ อะตอม ว่า ควรมีลักษณะอย่างไร โครงสร้างที่ชัดเจนของอะตอมได้เผยให้เห็นเรื่อย ๆ จากผลการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา ยกตัวอย่างเช่น การอธิบายการกระเจิงของอนุภาค (scattering experiment) ของรัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ที่ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า ส่วนที่เป็นประจุบวกและมีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมรวมกระจุกกันอยู่บริเวณศูนย์กลางของอะตอม เรียกว่า นิวเคลียส (nucleus) และจากการทดลองของแชดวิก (James Chadwick) ทำให้มีการยืนยันการค้นพบ นิวตรอน (neutron) ซึ่งเป็นอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่อยู่ในนิวเคลียส จนในที่สุด นักฟิสิกส์ได้ข้อสรุปเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมที่ค่อนข้างชัดเจนว่า ภายในนิวเคลียสของอะตอม ประกอบไปด้วย นิวตรอน และโปรตอน (proton) ส่วนรอบ ๆ นิวเคลียส มีอิเล็กตรอนที่มีมวลน้อยกว่ามาก เคลื่อนที่อยู่ ในช่วงเวลานี้ นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่า นิวตรอน โปรตอน และ อิเล็กตรอน เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกออกเป็นองค์ประกอบย่อยได้อีก

รูป 1.2 แบบจำลองอะตอมในปีต่าง ๆ

ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค

   ในช่วงเริ่มต้น นักฟิสิกส์ได้พยายามอธิบายพฤติกรรมและอันตรกิริยาของอนุภาคต่าง ๆ ที่ถูกค้นพบด้วยทฤษฎีทางฟิสิกส์แบบฉบับ (classical physics) แต่ต้องพบกับปัญหาหลายอย่าง เช่น ปัญหาของพลังงานที่วัดได้จากการแผ่รังสีของวัตถุดำ หรือที่มีชื่อเรียกว่า ความหายนะในช่วงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet catastrophe) จึงทำให้เริ่มมีการสงสัยในขีดจำกัดของทฤษฎีทางฟิสิกส์แบบฉบับ

   พลังค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน พยายามแก้ปัญหาค่าพลังงานของรังสีที่แผ่ออกมาจากวัตถุดำ จนนำไปสู่การเสนอสมมติฐานว่า พลังงานที่วัตถุดำรับเข้าไปหรือปล่อยออกมามีค่าได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น และค่านี้จะเป็นจำนวนเท่าของ hf เขียนเป็นสมการได้ว่า

E = nhf

   โดยที่ E เป็นพลังงาน มีหน่วยเป็นจูล n เป็นจำนวนควอนตัมพลังงานซึ่งเป็นจำนวนเต็มบวก h เป็นค่าคงตัวของพลังค์ (Planck’s constant) มีค่าเท่ากับ 6.624 × 10^-34 จูลวินาที และ f เป็นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) เช่น พลังงานมีค่าเท่ากับ hf, 2hf หรือ 3hf เป็นต้น

รูป 1.3 พลังค์ (ซ้าย) และ ไอน์สไตน์ (ขวา)

     สมมติฐานของพลังค์สามารถใช้อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำได้ แต่พลังค์และนักฟิสิกส์สมัยนั้น ยังไม่แน่ใจในความถูกต้องของความคิดเกี่ยวกับความไม่ต่อเนื่องของพลังงาน จนกระทั่ง ในปี ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ประสบความสำเร็จในการใช้หลักการเดียวกันกับสมมติฐานของพลังค์ในการอธิบาย ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบผิวโลหะแล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา โดยไอน์สไตน์ได้เสนอว่า แสงประพฤติตัวเป็นก้อนพลังงานคล้ายอนุภาคที่เมื่อตกกระทบพื้นผิวโลหะ จะถ่ายโอนพลังงานที่เป็นจำนวนเท่าของ hf ทั้งหมดให้กับอิเล็กตรอนของโลหะ โดยที่ h คือ ค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของคลื่นแสง ซึ่งปริมาณ hf เรียกว่า ควอนตัมของพลังงาน (quantum of energy) ดังนั้น เมื่อแสงที่มีควอนตัมของพลังงานมากพอมาตกกระทบ จะทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ผิวโลหะหลุดออกมาด้วยพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง

     ก้อนพลังงานแสง หรือ อนุภาคของแสง นี้ต่อมาได้รับการเรียกชื่อว่า โฟตอน (photon) และใช้ตัวอักษรกรีก γ (แกมมา) เป็นสัญลักษณ์แทนโฟตอน

     ในที่สุด แนวคิดของทั้งพลังค์และไอน์สไตน์ได้นำไปสู่การจัดร่างฟิสิกส์แผนใหม่ (modern physics) ซึ่งเป็นพื้นฐานในการศึกษาอนุภาคชนิดอื่น ๆ รวมทั้ง เป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีทางวัสดุ การสื่อสาร คอมพิวเตอร์ ฯลฯ ในปัจจุบัน

     ในปี ค.ศ. 1924 เดอ เบรย (Louis Victor de Broglie) นักฟิสิกส์ ชาวฝรั่งเศส ได้เสนอสมมิตฐานที่ปฏิวัติความเข้าใจเดิมเกี่ยวกับอนุภาค ซึ่งมีใจความสำคัญว่า ในเมื่อแสงซึ่งประพฤติตัวเป็นคลื่น สามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้ สิ่งที่เป็นอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน น่าจะแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน

     ตามสมมติฐานของเดอบรอยล์ (de Broglie’s hypothesis) อนุภาคที่ประพฤติตัวเป็นคลื่นจะมีความยาวคลื่น (λ) ซึ่งเรียกว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์ (de Broglie wavelength) ซึ่งมีค่าขึ้นกับโมเมนตัม (p) ของอนุภาคตามสมการ

λ = h/p

รูป  1.4 เดอ เบรย

     ในปี ค.ศ. 1927 คลินตัน โจเซฟ เดวิสสัน (Clinton Joseph Davisson) และ เลสเตอร์ ฮัลเบิร์ต เจอร์เมอร์ (Lester Halbert Germer) ได้ทำการทดลองพบว่า อิเล็กตรอนสามารถเลี้ยวเบนผ่านผลึกนิกเกิลได้และปรากฏลวดลายการแทรกสอดของอิเล็กตรอนในลักษณะคล้ายกับลวดลายการแทรกสอดของคลื่นแสงดังรูป 1.5  ซึ่งเป็น การยืนยันสิ่งที่เดอ เบรยได้นำเสนอไว้ 

รูป 1.5 (ซ้าย) ลวดลายการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน และ (ขวา) ลวดลายการเลี้ยวเบนของแสง

     จากสมมติฐานของพลังค์ แนวคิดของไอน์สไตน์ และ แนวคิดของเดอ เบรย ทำให้สรุปได้ว่าคลื่นสามารถประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้ ในทำนองกลับกัน อนุภาคก็สามารถประพฤติตัวเป็นคลื่นได้เช่นกัน โดยคลื่นที่มีความถี่ f (หรือ ความยาวคลื่น λ) จะมีพลังงาน E = hf ส่วนอนุภาคที่มีโมเมนตัม p จะมีความยาวคลื่น λ = h/p สมบัติดังกล่าวนี้ เรียกว่า ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค (wave-particle duality)

ปฏิยานุภาค

     จากแนวคิดของเดอ เบรย ได้นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายธรรมชาติของอิเล็กตรอนในอะตอม จนกระทั่งเสร็จสมบูรณ์ในเวลาเพียงไม่กี่ปี (ค.ศ. 1924 – 1927) แต่ทั้งนี้ เมื่อนักฟิสิกส์พยายามใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมมาอธิบายปรากฏการณ์ที่วัตถุหรืออนุภาคขนาดเล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วของแสง ได้พบว่า ยังมีข้อขัดแย้งที่ไม่อาจจะอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่มีอยู่ และการแก้ไขข้อขัดแย้งดังกล่าว ได้นำไปสู่การค้นพบอนุภาคชนิดใหม่อีกครั้ง

     ในปี ค.ศ. 1928 ดิแรก (Paul Dirac) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ พยายามนำแนวคิดทางทฤษฎีกลศาลตร์ควอนตัมมาใช้ร่วมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง เขาพบว่า อิเล็กตรอนอิสระสามารถมีพลังงานได้ทั้งค่าบวกและค่าลบ และดิแรกได้เสนอว่า พลังงานค่าลบอาจเป็นพลังงานของอนุภาคที่มีสมบัติเหมือนกับอิเล็กตรอน แต่มีประจุตรงข้าม และต่อมา อนุภาคที่ดิแรกเสนอไว้ได้รับการค้นพบโดยแอนเดอร์สัน (Carl Anderson) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ในปี ค.ศ. 1932 ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอก หรือ เรียกสั้น ๆ ว่า ห้องหมอก (cloud chamber)

รูป 1.6 ดิแรก (ซ้าย) และ แอนเดอร์สัน (ขวา)

รูป 1.7 ห้องหมอกรูปแบบหนึ่ง ที่ใช้ในการศึกษาอนุภาคจากรังสีคอสมิก (ภาพโดย Rolf Kickuth ) 

     อนุภาคที่ดิแรกได้นำเสนอไว้ดังกล่าวเป็น ปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอน ต่อมาได้รับการเรียกชื่อว่า โพซิตรอน (positron) แทนด้วยสัญลักษณ์ e⁺

     การค้นพบปฏิยานุภาคได้ทำให้เกิดการวางรากฐานทฤษฎีสนามควอนตัม (quantum field theory) ในเวลาต่อมา และ จากนั้น การพัฒนาทฤษฎีฟิสิกส์แผนใหม่และฟิสิกส์อนุภาคได้ก้าวหน้าขึ้นเรื่อย ๆ พร้อมทั้งการค้นพบของอนุภาคใหม่ ๆ ที่น่าสนใจอีกมากมาย

รูป 1.8 ภาพถ่ายรอยทางของโพซิตรอนในห้องหมอก
ที่แอนเดอร์สันใช้ในการทดลอง

รูป 1.9 แผนภาพแสดงการวิเคราะห์รอยทางของโพซิตรอน จากภาพถ่ายในห้องหมอกในรูป 8 

กิจกรรมเสนอแนะ ห้องหมอกตรวจจับอนุภาคได้อย่างไร

จุดประสงค์

1. สังเกตรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคในห้องหมอก
2. อธิบายการเกิดรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคในห้องหมอก

เวลาที่ใช้ ประมาณ 60 นาที

รูป 1.10 ตัวอย่างการสังเกตรอยทางของอนุภาคในห้องหมอกที่สร้างขึ้น ในกิจกรรมเสนอแนะ

วัสดุและอุปกรณ์

1. ชุดอุปกรณ์ห้องหมอก
   • กล่องพลาสติกใสเจาะรูด้านข้าง 1 กล่อง
   • แผ่นกาวอะลูมิเนียม 1 ม้วน
   • จุกคอร์ก 2 อัน
   • ลวดที่ปลายติดแหล่งกำเนิดรังสี 1 อัน
   • แผ่นสังกะสีสี่เหลี่ยมพ่นสีดำหนึ่งด้าน 1 แผ่น
2. กรรไกร 1 เล่ม
3. ขวดแก้วบรรจุไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ 90% 1 ขวด
4. หลอดหยด 1 หลอด
5. น้ำแข็งแห้งขนาด 1 กิโลกรัม 1 ก้อน
6. ถาดพลาสติก 1 ใบ
7. ถุงมือผ้า 1 คู่
8. ไฟฉายหรืออุปกรณ์ให้แสง 1 กระบอก
9. ฟองน้ำหนา 1 นิ้ว 1 อัน
10. เทปกาว 2 หน้า 1 ม้วน

ข้อควรระวัง !

1. ระวังไม่ให้ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์เข้าปากหรือเข้าตา ถ้าเข้าตาหรือปาก ให้ล้างออกด้วยน้ำทันที
2. ระวังไม่สัมผัสน้ำแข็งแห้งด้วยมือเปล่า ควรใช้ถุงมือหรืออุปกรณ์อื่นหยิบจับ

วิธีทำกิจกรรม

ตอนที่ 1 ทำนายลักษณะรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค

1. ศึกษาหลักการตรวจวัดอนุภาคของห้องหมอกจากเนื้อหาด้านล่าง
2. ให้ทำนายลักษณะรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่คาดว่าจะสังเกตได้ในห้องหมอก โดยพิจารณากรณีที่อนุภาคที่เคลื่อนที่ภายในห้องหมอกมีเพียง อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา และ รังสีแกมมา ให้วาดรูปลักษณะรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละชนิดที่คาดว่าจะสังเกตได้ ลงในกระดาษ พร้อมให้เหตุผล

หลักการตรวจวัดอนุภาคของห้องหมอก

     โปรตอน นิวตรอน อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา และ อนุภาคแกมมา เป็นอนุภาคที่เราได้เคยเรียนรู้มาแล้ว แต่รู้หรือไม่ว่า นอกจากอนุภาคดังกล่าวแล้ว ยังมีอนุภาคอื่น ๆ อีกมากมาย อนุภาคที่มีแหล่งกำเนิดจากปรากฏการณ์ในอวกาศเคลื่อนที่ผ่านโลกของเราตลอดเวลา บางอนุภาคพุ่งเข้าชนกับอนุภาคในชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดอนุภาคอีกหลากหลายชนิดเคลื่อนที่มายังพื้นโลก อนุภาคเหล่านี้ไม่เป็นอันตรายและไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอก หรือ เรียกสั้น ๆ ว่า ห้องหมอก (cloud chamber) เป็นเครื่องมือที่สามารถช่วยให้เรามองเห็นรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุได้

     ในห้องหมอก อุณหภูมิบริเวณด้านบนกับด้านล่างจะต่างกันมาก โดยบริเวณด้านบนจะมีแอลกอฮอล์ที่ซึมอยู่ในวัสดุดูดซับ ไอของแอลกอฮอล์ที่ระเหยออกมาจะเคลื่อนที่อย่างช้า ๆ ลงสู่ด้านล่างซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า และพร้อมที่จะควบแน่นไปเป็นละอองแอลกอฮอล์ที่อยู่ในสถานะของเหลว ดังรูป 1.11

รูป 1.11ห้องหมอกที่มีไอแอลกอฮอล์กำลังเคลื่อนที่ลงสู่ด้านล่าง

     เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเข้ามาในห้องหมอก จะไปชนกับโมเลกุลของอากาศภายในห้องหมอก ทำให้อิเล็กตรอนของโมเลกุลของอากาศหลุดออกมา เกิดเป็นไอออน ที่อนุภาคของแอลกอฮอล์รอบ ๆ ถูกดึงดูดให้มารวมตัวกันและเกิดการควบแน่นของไอแอลกอฮอล์เป็นละอองตามรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุเหล่านั้น   สังเกตเห็นเป็นรอยทางของกลุ่มควันภายในห้องหมอก ดังรูป 1.12

รูป 1.12 ภาพแสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าพลังงานสูงภายในห้องหมอก ซึ่งทำให้โมเลกุลอากาศแตกตัวเป็นไอออน ดึงดูดอนุภาคของแอลกอฮอล์ให้มารวมตัวกัน

*****ลองทำนายและวาดรอยทางที่คาดว่าจะสังเกตพบก่อนที่จะไปหน้าถัดไป*****

กิจกรรมเสนอแนะ ห้องหมอกตรวจจับอนุภาคได้อย่างไร

ตอนที่ 2 สร้างห้องหมอกและสังเกตรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคในห้องหมอก

1. ใส่ฟองน้ำที่ตัดไว้แล้วที่พื้นด้านในของกล่องพลาสติกใส ติดด้วยเทปกาว 2 หน้า เพื่อไม่ให้หลุด ดังรูป 1.13 ก
2. ใช้หลอดหยดดูดไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์จากขวด นำไปหยดลงบนฟองน้ำที่อยู่ในกล่องให้ทั่วแผ่น ประมาณ 10 - 15 หยด แล้วนำจุกคอร์กไปปิดรูด้านข้างของกล่องให้สนิท ดังรูป 1.13 ข
3. นำแผ่นสังกะสีที่ตัดเป็นสี่เหลี่ยมขนาดพอดีกับปากของกล่องพลาสติกใส ไปปิดปากกล่องพลาสติกใส โดยให้ด้านสีดำอยู่ด้านใน ดังรูป 1.13 ค
4. ติดแผ่นกาวอะลูมิเนียมรอบ ๆ ปากของกล่อง ใช้กรรไกรตัดแผ่นกาวเพื่อพับให้แผ่นกาวปิดปากกล่องพอดีและสนิท ดังรูป 1.13 ง และ 1.13 จ
5. ใช้ถุงมือผ้าจับน้ำแข็งแห้งไปวางลงในถาดพลาสติก จากนั้น นำกล่องพลาสติกใสไปวางบนน้ำแข็งแห้ง โดยคว่ำให้ด้านที่มีแผ่นโลหะติดกับน้ำแข็งแห้ง ดังรูป 1.13 ฉ

รูป 1.13 ขั้นตอนการสร้างห้องหมอก

วีดิทัศน์แสดงขั้นตอนการสร้างห้องหมอก

6. รอให้แอลกอฮอล์ระเหยประมาณ 5 - 10 นาที แล้วปิดไฟและจัดให้ห้องมืดสนิท หรืออาจใช้ผ้าสีดำคลุมชุดอุปกรณ์ จากนั้นใช้ไฟฉายหรืออุปกรณ์ให้แสง ฉายลำแสงไปที่กล่องพลาสติกใส สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น
7. ถ้าพบว่า แอลกอฮอล์ที่ใช้มีน้อยเกินไป หรือมีการรั่วไหลออกไป ให้หารอยรั่วแล้วปิดให้สนิท จากนั้นให้หยดแอลกอฮอล์เพิ่มเติมลงบนฟองน้ำ โดยให้นำจุกยางที่ปิดรูด้านข้างกล่องออกเสียก่อน แล้วใช้หลอดหยดดูดแอลกอฮอล์จากขวดแก้วมาหยดลงบนฟองน้ำ จากนั้น นำจุกยางมาปิดรูให้สนิทดังเดิม
8. นำจุกคอร์กที่ปิดรูด้านข้างกล่องออก แล้วนำจุกคอร์กที่มีแหล่งกำเนิดรังสีติดอยู่ที่ปลายมาใส่เข้าไปแทน โดยให้จุกคอร์กปิดรูให้สนิท รอให้แอลกอฮอล์ระเหยประมาณ 5 - 10 นาที
9. สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น วาดรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่สังเกตได้
10. เปรียบเทียบรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ทำนายไว้ในตอนที่ 1 กับผลที่สังเกตได้จากตอนที่ 2 และอภิปรายสาเหตุหากผลการทำนายไม่ตรงกับผลที่สังเกตได้

กิจกรรมเสนอแนะ ห้องหมอกตรวจจับอนุภาคได้อย่างไร

ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม

วีดิทัศน์แสดงตัวอย่างผลการทำกิจกรรมห้องหมอก

อภิปรายผลการทำกิจกรรม

     จากรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่เกิดจากการจับตัวของละอองแอลกอฮอล์ที่อิ่มตัว จะเห็นว่า บางรอยเป็นเส้นตรง บางและยาว บางรอยเป็นเส้นตรง หนากว่า และ สั้น กว่า เราสามารถวิเคราะห์ลักษณะรอยทางที่แตกต่างของอนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านห้องหมอก เพื่อระบุชนิดของอนุภาค ได้ดังนี้

1. ถ้ารอยทางเป็นเส้นคดเคี้ยวและไม่ตรง แสดงว่า อนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านห้องหมอก เป็น อิเล็กตรอน (e^-) หรือ โพซิตรอน (e⁺) ที่มีความเร็วต่ำ เนื่องจากอิเล็กตอนและโพซิตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยเมื่อเทียบกับอนุภาคอื่น ๆ เมื่อเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในห้องหมอกจะมีการชนกับอนุภาคอื่น ๆ และเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ได้ง่าย

2. ถ้ารอยทางเป็นเส้นตรงและยาวพอสมควร แสดงว่า อนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านห้องหมอก เป็น อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนที่มีความเร็วสูง หรือ อาจเป็นมิวออนความเร็วสูง เนื่องด้วยความเร็วของอนุภาคทำให้อากาศรอบ ๆ แนวทางที่เคลื่อนที่ผ่านมารวมตัวกันตามแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน ปรากฏเป็นรอยทาง โดยอนุภาคไม่มีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่

3. ถ้ารอยทางเป็นเส้นตรง สั้น และหนากว่ารอยทางอื่น ๆ อย่างที่สังเกตเห็นได้ชัด แสดงว่า อนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านห้องหมอกนั้น เป็นอนุภาคแอลฟา เนื่องจากอนุภาคแอลฟามีมวลมากกว่าอนุภาคอื่น ๆ มาก จึงทำให้ระยะทางการเคลื่อนที่สั้นกว่าอนุภาคอื่น ๆ

ไพออนกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออน

     ในช่วงที่นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถอธิบายแรงที่เป็นสาเหตุทำให้อนุภาคในนิวเคลียสของอะตอม หรือ นิวคลีออน ยึดเหนี่ยวกันได้ ทั้งที่มีแรงผลักจากแรงไฟฟ้าระหว่างประจุบวกของโปรตอน ในปี ค.ศ. 1935 นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น ยุกะวะ (Hideki Yukawa) ได้เสนอว่า แรงดังกล่าวควรจะมีอนุภาคสื่อแรง (force carrier) ทำให้อนุภาคในนิวเคลียสรับรู้แรงชนิดนี้ได้ เช่นเดียวกับกรณีของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีโฟตอนเป็นอนุภาคสื่อแรง ทำให้อิเล็กตรอนและโปรตอนดึงดูดเข้าหากัน

     ยุกะวะได้ให้ชื่ออนุภาคสื่อแรงที่ทำให้อนุภาคในนิวเคลียสยึดเหนี่ยวกันอยู่ได้ว่า มีซอน (meson) ซึ่งมาจากคำในภาษากรีก เมโซ (meso) ที่หมายถึง ระดับปานกลาง เพราะอนุภาคชนิดนี้ มีมวลอยู่ระหว่างมวลของโปรตอนกับมวลของอิเล็กตรอน

รูป 1.14  (ซ้าย) ยุกะวะ และ  (ขวา) ภาพแสดงแนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคสื่อแรงในนิวเคลียสของอะตอม

     หลังจากนั้น ในปี ค.ศ. 1936 ขณะที่ แอนเดอร์สัน (Carl D. Anderson) นักฟิสิกส์ผู้ค้นพบโพซิตรอน และ เนดเดอร์เมเยอร์ (Seth Neddermeyer) นักศึกษาของแอนเดอร์สัน กำลังศึกษาธรรมชาติของรังสีที่มาจากนอกโลก หรือ รังสีคอสมิก (cosmic rays) ด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอก พวกเขาได้ตรวจพบอนุภาคที่มีสมบัติใกล้เคียงตามที่ยุกะวะได้เสนอไว้โดยบังเอิญ และได้เรียกอนุภาคที่ค้นพบนี้ว่า มีซอน แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการตรวจสอบที่ละเอียดมากขึ้น กลับพบว่า อนุภาคดังกล่าว ไม่ได้มีแรงยึดเหนี่ยวตามที่ยุกะวะเสนอไว้

     แล้วในที่สุด ในปี ค.ศ. 1947 คณะนักฟิสิกส์นำโดย พาวเวลล์ (Cecil Powell) ชาวอังกฤษ ได้ค้นพบอนุภาคที่มีสมบัติตรงตามที่ยุกะวะเคยนำเสนอไว้ จากการใช้แผ่นฟิล์มบันทึกรอยทางของอนุภาคที่มาจากรังสีคอสมิก อนุภาคดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า ไพมีซอน (pi-meson) เขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก π ซึ่งต่อมาเรียกว่า ไพออน (pion) ส่วนอนุภาคที่ได้รับการค้นพบก่อนหน้านี้โดยแอนเดอร์สัน และ เนดเดอร์เมเยอร์ ได้รับการตั้งชื่อว่า มิวมีซอน (mu-meson) เขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก μ (มิว) ต่อมา ถูกเรียกว่า มิวออน (muon)

รูป 1.15 แผนภาพแสดงการเกิดสายฝนของอนุภาคจากรังสีคอสมิก (ที่มา: A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret)

นิวทริโน

     เรื่องราวของการค้นพบนิวทริโนเริ่มต้นจาก ความพยายามแก้ปัญหาความไม่สมดุลของพลังงานในปฏิกิริยาการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีที่ให้อนุภาคบีตา (beta decay) ปฏิกิริยาดังกล่าวมีพลังงานส่วนหนึ่งหายไป ซึ่งไม่สอดคล้องกับกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม และกฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งเป็นปัญหาที่ไม่มีคำอธิบายใด ๆ จนทำให้นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กที่มีชื่อเสียงอย่างโบร์ (Niels Bohr) คิดเกือบจะล้มเลิกกฎการอนุรักษ์พลังงาน

     เพาลี (Wolfgang Pauli) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียได้เสนอสมมติฐานเพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว โดยเสนอว่า พลังงานส่วนที่หายไปนั้น เนื่องจากมีอนุภาคชนิดใหม่ที่นำพลังงานส่วนนี้ไป อนุภาคนั้นต้องมีขนาดเล็กมาก ไม่มีประจุ แต่มีพลังงานและโมเมนตัม ต่อมา สมมติฐานของเพาลีได้รับการสนับสนุนจากแฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน โดยแฟร์มีเรียกอนุภาคชนิดใหม่ที่เพาลีเสนอว่า นิวทริโน (neutrino) ซึ่งเป็นภาษาอิตาเลียนแปลว่า ตัวเล็กที่เป็นกลาง แทนด้วยสัญลักษณ์ตัวอักษรกรีก υ และเรียกปฏิยานุภาคของนิวทริโนว่า แอนตินิวทริโน (antineutrino) แทนด้วยสัญลักษณ์ตัวอักษรกรีก υ ที่มีขีดอยู่ด้านบน

รูป 1.16 (บนซ้าย) เพาลี  และ (บนขวา) แฟร์มี  และ (ล่าง) แผนภาพแสดงแนวคิดเกี่ยวกับนิวทริโนในการสลายให้บีตาของคาร์บอน-14

     ถึงแม้จะเป็นเรื่องยากในการตรวจพบนิวทริโน เนื่องจากนิวทริโนทำปฏิกิริยากับสสารต่าง ๆ น้อยมาก แต่ในที่สุด ในปี ค.ศ 1956 คณะนักฟิสิกส์ชาวสหรัญอเมริกานำโดย โควาน (Clyde Cowan) และ ไรนส์ (Frederick Reines) ได้ยืนยันการค้นพบนิวทริโนจากการใช้ถังบรรจุน้ำผสมแคดเมียมคลอไรด์ขนาดใหญ่ไปติดตั้งไว้ใกล้ ๆ กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นิวทริโนที่เกิดจากกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตา ทำให้เกิดสัญญาณในถังน้ำที่สามารถตรวจวัดได้ และนำไปสู่ข้อสรุปถึงการมีอยู่จริงของนิวทริโนและแอนตินิวทริโน

รูป 1.17 (ซ้าย) ไรนส์ และ (ขวา) โควาน และอุปกรณ์ที่ใช้ค้นพบนิวทริโน

     เมื่อมีการศึกษาเพิ่มเติมในเวลาต่อมา พบว่า นิวทริโนที่ได้รับการค้นพบโดยโควานและไรนส์เป็นปฏิยานุภาคของ อิเล็กตรอนนิวทริโน (electron neutrino) เรียกว่า อิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน (electron-antineutrino) ที่มาจากการสลายให้บีตาลบ และต่อมา ได้มีการค้นพบนิวทริโน อีก 2 ชนิด ได้แก่ มิวออนนิวทริโน (muon neutrino) และ ทาวนิวทริโน (tau neutrino) ซึ่งนิวทริโนทั้ง 2 มีคู่ปฏิยานุภาคเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนนิวทริโน

     การศึกษาวิจัยเกี่ยวกับสมบัติของนิวทริโนได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในวงการฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบัน เนื่องจากนิวทริโนเป็นอนุภาคที่มีสมบัติที่แตกต่างจากอนุภาคอื่น ๆ มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สมบัติการเปลี่ยนชนิด ได้ที่เรียกว่า neutrino oscillation เมื่อนิวทริโนมีการเคลื่อนที่เป็นระยะทางระยะหนึ่ง

อนุภาคประหลาด

     ในปี ค.ศ. 1947 หลังจากที่ได้มีการค้นพบไพออนแล้ว เดือนธันวาคมของปีเดียวกัน ผลการทดลองของโรเชสเตอร์ (George Rochester) และ บัตเลอร์ (Clifford Butler) ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้สร้างความประหลาดใจให้กับวงการฟิสิกส์อีกครั้ง ทั้งสองได้พบว่าอนุภาคที่เกิดจากรังสีคอสมิกที่เคลื่อนที่ผ่านเข้ามาในเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอกของพวกเขามีมวลไม่เท่ากับมวลของอนุภาคอื่น ๆ ที่เคยพบมา อีกทั้ง อนุภาคดังกล่าวนั้นมีการสลายตัวและชั่วชีวิตที่ยาวนานแตกต่างจากอนุภาคอื่น ๆ  

     ต่อมา อนุภาคชนิดใหม่นี้ได้มีชื่อเรียกว่า  เคออน (kaon) แทนด้วยสัญลักษณ์ K

รูป 1.18 (ซ้าย) รอยทางของอนุภาคที่บันทึกไว้จากเครื่องตรวจวัดอนุภาค และ (ขวา) การวิเคราะห์ผลที่แสดงชนิดของอนุภาคต่าง ๆ ตามรอยทางที่ได้จากภาพด้านซ้ายมือ

     หลังจากนั้น จากการทดลองด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาคและเครื่องเร่งอนุภาคในสถาบันอื่น ๆ ทั่วโลก ทำให้มีการค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ที่มีมวลและประจุแตกต่าง ๆ กันไป อย่างที่ไม่เคยพบมาก่อนอีกเป็นจำนวนมาก เช่น Λ (แลมป์ดา) Ξ (ไซ) Σ (ซิกมา) Φ (ฟาย) และ Δ (เดลตา) เป็นต้น

     อนุภาคที่ได้รับการค้นพบ เหล่านี้ ถูกจัดให้อยู่ในกลุ่ม อนุภาคประหลาด (strange particles) เนื่องจากมีชั่วชีวิตที่ยาวนานกว่าอนุภาคที่เคยค้นพบจากการศึกษารังสีคอสมิก อีกทั้ง การเกิดและการสลายตัวของอนุภาคเหล่านี้ แตกต่างไปจากอนุภาคอื่น ๆ

สวนสัตว์อนุภาค

     จากการค้นพบอนุภาคเพียงไม่กี่อนุภาคในช่วงเริ่มต้นของศตวรรษที่ 20 ไม่กี่สิบปีต่อมา นักฟิสิกส์ต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่มีอนุภาคจำนวนมาก ที่ล้วนมีสมบัติที่แตกต่างกัน นักฟิสิกส์ได้บรรยายถึงสถานการณ์นี้ว่า เหมือนกับมี สวนสัตว์ของอนุภาค (particle zoo)

     การค้นพบอนุภาคที่มีสมบัติแตกต่างกันจำนวนมาก ทำให้นักฟิสิกส์สงสัยว่า เหตุใดธรรมชาติจึงได้สร้างอนุภาคเหล่านี้ขึ้นมามากมาย และมีกฎเกณฑ์อะไร ที่จะสามารถจัดจำแนก และอธิบายพฤติกรรมและอันตรกิริยาที่อนุภาคเหล่านี้มีต่อกันได้

ควาร์ก

      วิธีการหนึ่งในการจัดจำแนกอนุภาคที่ถูกค้นพบจำนวนมาก ได้รับการนำเสนอในปี ค.ศ. 1961 โดย เกลล์-มานน์ (Murray Gell-Mann) และ ซไวก์ (George Zweig) โดยทั้งสองได้เสนอให้พิจารณาจากสมบัติที่เหมือนกันของอนุภาคแต่ละตัว เช่น ประจุไฟฟ้า สปิน แล้วนำมาจัดเรียงกันให้เป็นระบบ คล้ายกับการจัดจำแนกประเภทของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ซึ่งเกลล์-มานน ได้ให้ชื่อวิธีการจัดจำแนกอนุภาคลักษณะนี้ว่า แปดหนทาง (Eightfold Way) ตามจำนวนสมาชิกในกลุ่มอนุภาคที่มีมากที่สุด นั่นคือ 8 อนุภาคเมื่อจัดกลุ่มด้วยระบบนี้ ดังรูป 1.19 

     การจัดระเบียบการจำแนกอนุภาคของเกลล์-มานน และ ซไวก์ สามารถช่วยให้พวกเขาทำนายสมบัติของอนุภาคชนิดใหม่ ที่ยังไม่ได้รับการค้นพบในช่วงเวลานั้นได้อย่างแม่นยำ คล้ายกับ การทำนายธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ โดยอาศัยตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ

รูป 1.19  (ซ้าย) เกลล์-มานน์ และ  (ขวา) ภาพแสดงกลุ่มอนุภาค 2 กลุ่ม ที่มีสมาชิกเป็นอนุภาค 8 ชนิดจากการจัดกลุ่มด้วยวิธีแปดหนทาง ของเกลล์-มานน์ ซึ่งมีหลักการคือ อนุภาคที่อยู่ในแถวเดียวกันในแนวระดับเป็นอนุภาคที่มีเลขสเตรนจ์ (s) เท่ากัน ส่วนอนุภาคที่อยู่ในแนวทแยงจากด้านซ้ายมือบน ไปทางขวามือล่าง เป็นอนุภาคมีประจุ (q) เท่ากัน   (ที่มาของรูป I, Laurascudder) 

     ด้วยความสำเร็จของวิธีจัดกลุ่มอนุภาคแบบแปดหนทาง ทำให้เกิดคำถามว่า ทำไมอนุภาคหลายร้อยตัวจึงมีการเรียงตัวในลักษณะเช่นนั้น และความพยายามในการหาคำตอบ ได้นำไปสู่การเสนอสมมติฐานที่ว่า อนุภาคที่นำมาจัดเรียงกันนั้นน่าจะมีองค์ประกอบที่เล็กกว่าอยู่ข้างใน ซึ่งเกลล์-มานน์ ได้ให้ชื่ออนุภาคดังกล่าวว่า ควาร์ก (quark) ตามคำที่มาจากบทประพันธ์ของกวีชาวไอร์แลนด์ที่เกลล์-มานน์ ชื่นชอบ

     ควาร์กที่เกลล์-มานน์ ทำนายไว้มี 3 ชนิด ได้แก่

1. ควาร์กอัพ (up quark) เขียนแทนด้วย u
2. ควาร์กดาวน์ (down quark) เขียนแทนด้วย d
3. ควาร์กสเตรนจ์ (strange quark) เขียนแทนด้วย s

     แนวคิดเกี่ยวกับควาร์กของเกลล์-มานน์ ทำให้วิธีการจัดจำแนกอนุภาคแบบแปดหนทางได้รับการพัฒนาต่อมาเป็น แบบจำลองควาร์ก (quark model) ซึ่งแบ่งอนุภาคจำนวนหลายร้อยตัวออกเป็น 2 จำพวก ได้แก่ แบริออน (baryon) และ มีซอน (meson)

     อนุภาคจำพวกแบริออนประกอบด้วยควาร์กจำนวน 3 อนุภาค ส่วนอนุภาคจำพวกมีซอนประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก อย่างละ 1 อนุภาค โดยโปรตอนและนิวตรอน ต่างเป็นอนุภาคจำพวกแบริออน ส่วนไพออนบวกที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก จัดเป็นอนุภาคจำพวกมีซอน เพราะ ประกอบด้วยอัพควาร์ก 1 อนุภาค และดาวน์แอนติควาร์ก 1 อนุภาค ดังรูป 1.20

รูป 1.20 แผนภาพแสดงการระบุควาร์กแต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบภายในของแบริออนและมีซอน ตามการจัดกลุ่มอนุภาคแบบแปดหนทาง 

     ปัจจุบัน นักฟิสิกส์พบว่า ควาร์กมีอยู่ด้วยกัน 6 ชนิด และควาร์กแต่ละชนิด มีแอนติควาร์กของตัวมันเอง ดังแสดงในตารางที่ 1 โดยควาร์กสุดท้ายที่ได้รับการค้นพบ คือ ควาร์กทอป (top quark) หรือ ควาร์กทรูธ (truth quark) ซึ่งได้รับการค้นพบในปี ค.ศ. 1995 จากการวิจัยที่เเฟร์มีแล็บ (The Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab) ซึ่งตั้งอยู่ที่ มลรัฐอิลลินอยส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา

ตารางที่ 1 ควาร์กและแอนติควาร์กทั้ง 12 ชนิด

ที่มา: R.L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update

แบบจำลองมาตรฐาน

     ด้วยความพยายามอย่างไม่ลดละของนักฟิสิกส์ ในที่สุดพวกเขาได้ข้อสรุป แนวคิดและทฤษฎีต่าง ๆ ที่สามารถใช้ทำนายปรากฏการณ์ อธิบายผลการทดลอง พฤติกรรม และอันตรกิริยาต่าง ๆ ที่มีต่อกันของอนุภาคนับร้อยอนุภาคที่พวกเขาค้นพบได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ อีกทั้งยังได้มีการจัดจำแนกอนุภาคเหล่านั้นให้เป็นระบบ ภายใต้กรอบของทฤษฎีที่พวกเขาให้ชื่อว่า แบบจำลองมาตรฐาน (The Standard Model) ซึ่งสามารถนำมาอธิบายสมบัติของอนุภาคต่าง ๆ ที่ค้นพบได้

     แบบจำลองมาตรฐาน ได้จัดอนุภาคมูลฐานในเอกภพที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ มาจนถึงปัจจุบันออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่ อนุภาคสสาร (matter particle) อนุภาคสื่อแรง (force carriers) และ อนุภาคฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ซึ่งมีมวลและประจุต่าง ๆ กัน ดังแสดงในรูป 21

รูป 1.21 การจัดจำแนกอนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐาน

     อนุภาคมูลฐานกลุ่มแรก คือ อนุภาคสสารเป็นองค์ประกอบของสสารในเอกภพ ประกอบด้วย ควาร์ก (quark) และ เลปตอน (lepton) ซึ่งมีมวลและประจุดังแสดงในรูป 1.21 โดยควาร์กทั้งหมดมีหกชนิด ได้แก่ ควาร์กอัพ (u) ควาร์กดาวน์ (d) ควาร์กสเตรนจ์ (s) ควาร์กชาร์ม (c) ควาร์กทอป (หรือควาร์กทรูธ) (t) และ ควาร์กบอททอม (หรือบิวตี้ควาร์ก) (b) และเลปตอนมีหกชนิด ได้แก่ อิเล็กตรอน (e^-) มิวออน (μ^-) ทาว (τ^-) อิเล็กตรอนนิวทริโน (ν_e) มิวออนนิวทริโน (ν_μ) และ ทาวนิวทริโน (ν_τ)

     อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สอง คือ อนุภาคสื่อแรง ได้แก่ โฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซีโบซอน (Z⁰) และ ดับเบิลยูโบซอน (W^±) ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อน (weak force) และ กลูออน (g) ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงเข้ม (strong force) อนุภาคสื่อแรงส่วนใหญ่ล้วนเป็นกลางทางไฟฟ้า ยกเว้น ดับเบิลยูโบซอน

     อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สาม คือ ฮิกส์โบซอน (H) เป็นอนุภาคที่มีสมบัติเฉพาะตัว และเป็นสถานะทางควอนตัมของสนามฮิกส์ ซึ่งเป็นสนามที่ก่อกำเนิดมวลให้กับอนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ฮิกส์โบซอน เป็นอนุภาคสุดท้ายในแบบจำลองมาตรฐานที่ได้รับการค้นพบจากการทดลองที่เซิร์นในปี ค.ศ. 2012 ซึ่งเป็นการค้นพบครั้งประวัติศาสตร์ ภายหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามตรวจวัดฮิกส์โบซอนมาหลายทศวรรษ

     ทั้งนี้ อนุภาคมูลฐานแต่ละอนุภาค ล้วนมีปฏิยานุภาคของอนุภาคนั้น ๆ โดยอนุภาคมูลฐานที่มีมวลและมีประจุไฟฟ้า จะมีปฏิยานุภาคที่มีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกัน ยกเว้นมีประจุไฟฟ้าชนิดตรงข้าม ส่วนอนุภาคมูลฐานที่มีมวลแต่ไม่มีประจุไฟฟ้า จะมีปฏิยานุภาคมีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกัน ยกเว้นสมบัติที่เรียกว่า สปิน ซึ่งจะได้เรียนรู้ในระดับสูงต่อไป นอกจากนี้ อนุภาคมูลฐานที่ไม่มีมวลและไม่มีประจุไฟฟ้า เช่น โฟตอน จะมีปฏิยานุภาคคืออนุภาคเดียวกัน

รูป 1.22 ภาพจากหน้าจอคอมพิวเตอร์แสดงรอยทางของอนุภาคต่าง ๆ ในเครื่องตรวจวัดอนุภาคที่เซิร์น ซึ่งเป็นภาพเหตุการณ์ที่มีการค้นพบฮิกส์โบซอน
(ที่มา: McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration, CERN)

สรุปเนื้อหาในหัวข้อ ฟิสิกส์อนุภาค

จุดเริ่มต้นของฟิสิกส์อนุภาค

     นักฟิสิกส์ได้แบบจำลองภายในนิวเคลียสของอะตอม ประกอบไปด้วย นิวตรอน และโปรตอน โดยมีอิเล็กตรอนที่มีมวลน้อยกว่ามากเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส

รูป แบบจำลองอะตอมในช่วงปีต่าง ๆ

ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค

     ความพยายามในการแก้ปัญหาความไม่สอดคล้องกันของพฤติกรรมและอันตรกิริยาของอนุภาคต่าง ๆ ที่ถูกค้นพบและปรากฏการณ์ธรรมชาติในระดับเล็ก ๆ ด้วยฟิสิกส์แบบฉบับ นำไปสู่การนำเสนอแนวคิดว่าแสงประพฤติตัวเป็นอนุภาค โดยไอน์สไตน์ ซึ่งต่อมาได้เรียกอนุภาคของแสงนี้ว่า โฟตอน (photon) เขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก γ (แกมมา) ส่งผลให้เดอ เบรย นำเสนอแนวคิดว่า อนุภาคสามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน การที่แสงสามารถแสดงสมบัติทั้งของคลื่นและอนุภาคนี้เรียกว่า ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค (wave-particle duality)

รูป (ซ้าย) พลังค์ (กลาง) ไอน์สไตน์ และ (ขวา) เดอ เบรย

ปฏิยานุภาค

     ดิแรก ได้เสนอว่า ในธรรมชาติ มีอนุภาคที่มีสมบัติเหมือนกับอิเล็กตรอนทุกประการ แต่มีประจุตรงกันข้ามอยู่และต่อมาไม่นาน อนุภาคนั้นได้รับการค้นพบด้วยอุปกรณ์ตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอก โดย แอนเดอร์สัน อนุภาคดังกล่าว มีชื่อเรียกภายหลังว่า โพซิตรอน (positron) เขียนแทนด้วย e⁺ ปัจจุบัน พบว่า อนุภาคทุกชนิดมี ปฏิยานุภาค (antiparticle) ที่มีสมบัติเหมือนกันทุกประการ ยกเว้นประจุไฟฟ้า ที่เป็นชนิดตรงกันข้าม

รูป (ซ้าย) ดิแรก (กลาง) แอนเดอร์สัน และ (ขวา) ภาพถ่ายรอยทางของโพซิตรอนในห้องหมอก

ไพออนกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออน

     ยุกะวะ ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับแรงที่ทำให้อนุภาคในนิวเคลียสยึดเหนี่ยวกัน โดยเรียกอนุภาคของแรงดังกล่าวว่า มีซอน (meson) ต่อมา ได้มีการตรวจพบอนุภาคที่มีสมบัติใกล้เคียงตามที่ยุกะวะอธิบายไว้โดยบังเอิญ จากการศึกษารังสีคอสมิก (cosmic rays) แต่ภายหลัง พบว่า อนุภาคที่ตรวจพบนั้น มีสมบัติไม่ตรงกับอนุภาคที่ยุกะวะได้นำเสนอไว้แต่อย่างใด ภายหลังได้ให้ชื่ออนุภาคที่ค้นพบดังกล่าวว่า มิวออน (muon) และ หลังจากนั้นไม่นาน ได้มีการค้นพบอนุภาคที่ยุกะวะได้เคยเสนอไว้ อนุภาคชนิดใหม่นี้ ต่อมาได้รับการให้ชื่อ เรียกว่า ไพออน (pion) และนักฟิสิกส์ได้จัดไพออนไปอยู่ในหมวดหมู่ของอนุภาคมีซอน

รูป (ซ้าย) ยุกะวะ (กลาง) ภาพแสดงแนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคสื่อแรงในนิวเคลียส และ (ขวา) ภาพแสดงการเกิดสายฝนของอนุภาคจากรังสีคอสมิก

นิวทริโน

     เพาลี ได้เสนอว่า น่าจะมีอนุภาคชนิดใหม่ ที่นำพลังงานส่วนหนึ่งในกระบวนการสลายให้อนุภาคบีตาออกไป ทำให้กระบวนการดังกล่าวไม่เป็นไปตาม กฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งแฟร์มีได้ให้ชื่ออนุภาคชนิดใหม่ดังกล่าวว่า นิวทริโน (neutrino) (ในภาษาอิตาเลียน นิวตริโน แปลว่า ตัวเล็กที่เป็นกลาง) เขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก υ (นิว) และให้ปฏิยานุภาคของนิวทริโนมีชื่อเรียกว่า แอนตินิวทริโน (anti-neutrino) ซึ่งต่อมานิวทริโนและแอนตินิวทริโนได้รับการค้นพบเป็นครั้งแรก โดยโควานและไรนส์

รูป (ซ้าย) เพาลี (กลาง) แฟร์มี และ (ขวา) ไรนส์กับโควาน

อนุภาคประหลาด

     ในช่วงระหว่างปี ค.ศ. 1947 – 1960 นักฟิสิกส์จากทั่วโลกได้ค้นพบอนุภาคหลายอนุภาคที่ไม่เคยได้รับการทำนายไว้ในทางทฤษฎี เช่น อนุภาคเคออน ซิกมา ฟาย ไซ เดลตา และ แลมบ์ดา อนุภาคเหล่านี้ ถูกจัดให้อยู่ในกลุ่ม อนุภาคประหลาด (strange particles) สาเหตุเพราะ ไม่เคยมีใครคาดเดาเกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้มาก่อน อีกทั้ง กระบวนการเกิดและสลายของอนุภาคเหล่านี้ เป็นไปอย่างผิดแผกจากอนุภาคอื่น ๆ (อนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นเป็นจำนวนมาก ในเวลาอันสั้น ระดับ 10^-23 วินาที แต่ว่า มีการสลายค่อนข้างช้า ประมาณ 10^-10 วินาที)

รูป รอยทางของอนุภาคเคออนในเครื่องตรวจวัดอนุภาคและแผนภาพแสดงการวิเคราะห์ชนิดของอนุภาคตามรอยทางที่บันทึกไว้

ควาร์ก

     เกลล์-มานน์ ได้เสนอวิธีการที่ชื่อว่า แปดหนทาง (Eightfold Way) ในการจัดจำแนกอนุภาคต่าง ๆ ที่ค้นพบ ซึ่งความสำเร็จของวิธีการดังกล่าว นำไปสู่การค้นพบว่า โปรตอนและนิวตรอน มีองค์ประกอบที่เล็กกว่าอยู่ข้างใน เกลล์-มานน์ให้ชื่อเรียกว่า ควาร์ก (quark) โดยโปรตอนประกอบด้วยควาร์ก 3 อนุภาค ได้แก่ ควาร์กอัพ (up quark) 2 อนุภาค และ ควาร์กดาวน์ (down quark) 1 อนุภาค ส่วนนิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก 3 อนุภาคเช่นกัน ได้แก่ ควาร์กอัพ 1 อนุภาค และ ควาร์กดาวน์ 2 อนุภาค

รูป (ซ้าย) เกลล์-มานน์ (กลาง) กลุ่มอนุภาคที่จัดตามวิธีแปดหนทาง และ (ขวา) กลุ่มอนุภาคที่มีการระบุควาร์กซึ่งเป็นองค์ประกอบภายใน

แบบจำลองมาตรฐาน

     แบบจำลองมาตรฐาน (The Standard Model) เป็นทฤษฎีที่สามารถใช้อธิบายผลการทดลอง ทำนายปรากฏการณ์ พฤติกรรม และอันตรกิริยาที่มีต่อกันของอนุภาคนับร้อยตัวที่นักฟิสิกส์ได้ค้นพบในระดับพื้นฐานได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ โดยมีการจัดจำแนกอนุภาคมูลฐานที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบทั้งหมดตั้งแต่ในอดีตจนถึงปัจจุบัน ออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่ อนุภาคสสารซึ่งประกอบ กลุ่มอนุภาคย่อย 2 กลุ่ม ได้แก่ เลปตอน (leptons) และ ควาร์ก (quarks) อนุภาคสื่อแรง (force carriers) และ ฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ซึ่งมีมวลและประจุต่าง ๆ กัน ดังแสดงในรูปด้านขวามือ

รูป การจัดจำแนกอนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐาน

ผังมโนทัศน์ อนุภาคมูลฐาน

คำถามตรวจสอบความเข้าใจ

2.เซิร์นกับงานวิจัย

จุดประสงค์การเรียนรู้

1. ระบุจุดมุ่งหมาย พันธกิจ ผลงานชิ้นสำคัญ และ ประโยชน์ ของการค้นคว้าวิจัยของเซิร์น
2. อธิบายหลักการสำคัญของเครื่องมือที่ใช้ในการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพ

     เซิร์น (CERN) หรือ องค์กรแห่งยุโรปเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ เป็นองค์กรนานาชาติระดับชั้นนำของโลกที่ทำงานวิจัยเพื่อศึกษาต้นกำเนิดและองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพ โดยผลที่ได้จากการค้นคว้าวิจัยสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการพัฒนาคุณภาพชีวิตในหลากหลายด้าน

รูป 2.1 บริเวณที่ตั้งการทดลองของเซิร์น  วงแหวนของเครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่เป็นอุโมงค์ใต้ดินเส้นรอบวงยาวกว่า 27 กิโลเมตรและ
ตำแหน่งสถานีหลักของเครื่องตรวจวัดอนุภาค 4 เครื่อง ได้แก่  CMS ATLAS  ALICE และ LHCb (Copyright: CERN)

ประวัติและพันธกิจหลักของเซิร์น

     ความพยายามในการไขปริศนาองค์ประกอบพื้นฐานของสสารและแรงในเอกภพ ได้พัฒนามาเป็นงานวิจัยแขนงหนึ่งในสาขาฟิสิกส์ที่เรียกว่า ฟิสิกส์อนุภาค (Particle Physics) ในอดีต เครื่องมือสำหรับการทำงานวิจัยด้านนี้มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดห้องปฏิบัติการ แต่เพื่อการค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ที่มีมวลมากขึ้น จำเป็นต้องสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีเส้นรอบวงหลายกิโลเมตร เนื่องจากการศึกษาอนุภาคที่มีมวลมากขึ้น ต้องใช้พลังงานสูงขึ้นเพื่อสร้างสภาวะที่อนุภาคเหล่านั้นจะเกิดขึ้น พร้อมสร้างเครื่องตรวจวัดที่สามารถตรวจวัดได้เพื่อศึกษาสมบัติของอนุภาคเหล่านี้ ทำให้สาขางานวิจัยด้านนี้มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า ฟิสิกส์พลังงานสูง (High Energy Physics)

     หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 นักวิทยาศาสตร์ในยุโรปได้ประชุมร่วมกันเพื่อพิจารณาจัดตั้งองค์กรสำหรับการศึกษาและค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์รวมถึงการแบ่งปันงบประมาณด้านเครื่องมือและการดำเนินการต่าง ๆ สภาการประชุมดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อเป็นภาษาฝรั่งเศสว่า Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire หรือเรียกสั้น ๆ ด้วยตัวอักษรย่อว่า CERN อ่านว่า เซิร์น ในภาษาอังกฤษ

รูป 2.2 นักวิทยาศาสตร์และผู้มีส่วนเกี่ยวข้องในการก่อตั้ง เซิร์น ร่วมประชุมกันเพื่อเลือกสถานที่ในการก่อสร้างอาคารและห้องทดลองของเซิร์น (Copyright: CERN)

     วันที่ 29 กันยายน ค.ศ. 1954 หลังการก่อตั้งสภาการประชุมได้ไม่นาน สภาดังกล่าวได้ยุติลง และองค์กรที่ก่อตั้งขึ้นได้รับการตั้งชื่อใหม่ ซึ่งเป็นชื่อที่ใช้ในปัจจุบันนั่นคือ Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire ในภาษาฝรั่งเศส (หรือ European Organization for Nuclear Research ในภาษาอังกฤษ หรือ องค์กรแห่งยุโรปเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ ในภาษาไทย)

     ในระยะเวลาต่อมา งานวิจัยหลักขององค์กรนี้มุ่งเน้นการศึกษาอนุภาคในระดับที่เล็กกว่านิวเคลียสรวมถึงแรงอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคเหล่านี้ และเพื่อให้สอดคล้องกับขอบเขตการวิจัยดังกล่าวจึงมีการเสนอให้เปลี่ยนชื่อเป็น สถาบันค้นคว้าวิจัยฟิสิกส์อนุภาคแห่งยุโรป (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules หรือ European laboratory for particle physics ในภาษาอังกฤษ) อย่างไรก็ตาม คำว่า CERN หรือ เซิร์น ยังคงเป็นชื่อย่อขององค์กรเช่นเดิม เนื่องจากเป็นชื่อที่คุ้นเคยของนักวิทยาศาสตร์และคนส่วนใหญ่ เซิร์นในช่วงก่อตั้งเริ่มแรกมีสมาชิก (member states) ทั้งหมด 12 ประเทศ ซึ่งเป็นประเทศในทวีปยุโรปทั้งสิ้น หลังจากนั้นจึงมีการรับสมาชิกที่มาจากประเทศในแถบทวีปอื่น ๆ เพิ่มเติม

พันธกิจหลักของเซิร์น ได้แก่

• งานศึกษาวิจัยเพื่อสร้างองค์ความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานและต้นกำเนิดของเอกภพ
• การพัฒนาและถ่ายทอดเทคโนโลยี
• การสร้างความร่วมมือระหว่างนานาประเทศในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ให้ก้าวหน้า
• การให้การศึกษาเพื่อสร้างนักวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรุ่นต่อ ๆ ไป

     ในการดำเนินงานกว่า ครึ่งศตวรรษของเซิร์น ได้ผ่านอุปสรรคและพบความสำเร็จมากมาย ได้ค้นพบองค์ความรู้ใหม่ให้กับมนุษยชาติหลายเรื่อง โดยมีเครื่องมือสำคัญที่ใช้ค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค นั่นคือ เครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องตรวจวัดอนุภาค ซึ่งในที่นี้ จะมีการให้ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องตรวจวัดอนุภาค ก่อนจะกล่าวถึงผลงานการค้นพบครั้งสำคัญของเซิร์น 2 ครั้ง ได้แก่ การค้นพบอนุภาค ซีโบซอน (Z⁰) และ ดับเบิลยูโบซอน (W^±) ในปี ค.ศ. 1983 และการค้นพบ ฮิกส์โบซอน (H⁰) ในปี ค.ศ. 2012

เครื่องเร่งอนุภาค

     ในช่วงปี ค.ศ. 1930  - 1945 แหล่งกำเนิดอนุภาคต่าง ๆ ที่นักฟิสิกส์ศึกษาค้นคว้ามาจากรังสีคอสมิก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอนุภาคโปรตอนพลังงานสูงที่เคลื่อนที่จากอวกาศมาเข้าชนกับนิวเคลียสของอะตอมในชั้นบรรยากาศของโลก ทำให้เกิดอนุภาคขนาดเล็กหลากหลายชนิดกระจายออกและเคลื่อนที่มายังผิวโลก  แต่การศึกษาอนุภาคจากรังสีคอสมิกไม่สามารถควบคุมปัจจัยหลายอย่างได้ตามที่นักฟิสิกส์ต้องการ

     ในเวลาต่อมา นักฟิสิกส์ได้คิดค้นอุปกรณ์ที่เรียกว่า  เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator)  ซึ่งสามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสงและเข้าชนกับอะตอมที่เป็นเป้านิ่ง หรือ เข้าชนกับอนุภาคที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูงมาจากทิศทางตรงข้าม  ทำให้เกิดอนุภาคขนาดเล็กหลากหลายชนิดกระจายออก สามารถตรวจวัดและวิเคราะห์สมบัติของอนุภาคต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นจากการชนนั้นได้

รูป 2.5 และ 2.6 แสดงภาพเครื่องเร่งอนุภาคฮาดรอนหรือแอลเอชซี (Large Hadron Collider หรือ LHC) ที่เซิร์น

รูป 2.3  แผนภาพแสดงเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี  (LHC)ที่มีเส้นรอบวงยาวประมาณ 27 กิโลเมตร ตั้งอยู่ลึกจากผิวดินประมาณ 175 เมตรบริเวณสถานที่ตั้งของเซิร์น

รูป 2.4 ส่วนหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี  

     เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้ในการศึกษาค้นคว้าด้านฟิสิกส์อนุภาคส่วนใหญ่ในปัจจุบันมี 2 ประเภทด้วยกันคือ เครื่องเร่งเชิงเส้น (linear accelerator หรือ linac) และ เครื่องเร่งแนววงกลม (circular accelerator) โดยทั้ง 2 ประเภทใช้หลักการในการเร่งอนุภาคเดียวกันคือ การเพิ่มพลังงานจลน์ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าด้วยสนามไฟฟ้า และควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคด้วยสนามแม่เหล็ก

     รูป 2.5 และ 2.5 แสดงส่วนประกอบหลักของเครื่องเร่งอนุภาคทั้ง 2 ประเภท

รูป 2.5 ส่วนประกอบหลักของเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง  ซึ่งใช้การกลับทิศของสนามไฟฟ้าในการเร่งอนุภาค

รูป 2.6 ส่วนประกอบหลักของเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม  ซึ่งใช้สนามไฟฟ้าเพิ่มพลังงานจลน์ให้อนุภาคและใช้สนามแม่เหล็กควบคุมให้อนุภาคเคลื่อนที่แบบวงกลม

     การทดลองการชนกันของอนุภาค (particle collision experiment) มีอยู่ 2 ประเภท เช่นกัน คือ
     1. การชนแบบเป้านิ่ง (fixed target collision) เป็นการชนที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคให้พลังงานกับลำอนุภาคหนึ่งจนมีพลังงานสูง จากนั้น ควบคุมให้เข้าชนกับอะตอมหรืออนุภาคที่อยู่ในวัสดุที่ใช้ทำเป้านิ่ง
     2. การชนแบบลำอนุภาค (colliding beam collision) เป็นการชนที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคให้พลังงานกับลำอนุภาคสองลำที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามจนมีพลังงานสูง จากนั้น ควบคุมให้ลำอนุภาคทั้งสองลำเข้าชนกัน โดยอนุภาคที่นำมาชนกันอาจเป็นชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกัน

รูป 2.7  (บน) แผนภาพแสดงการชนแบบเป้านิ่งและ (ล่าง) การชนแบบลำอนุภาคชนกัน 

     ตัวอย่างของเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมที่ทำการทดลองประเภทให้ลำอนุภาคมาชนกัน คือ เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ที่เซิร์น ส่วนตัวอย่างของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่ทำการทดลองประเภท การชนแบบเป้านิ่ง คือ เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา ดังรูป 2.8

รูป 2.8 ภาพถ่ายจากด้านบนแสดงเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด ที่มีความยาวกว่า 3.2 กิโลเมตร

เครื่องตรวจวัดอนุภาค

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคที่นักฟิสิกส์ใช้ในการค้นพบอนุภาคในช่วงแรก ๆ คือ เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอก หรือ ห้องหมอก (cloud chamber) ซึ่งได้รับการคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1911 โดย ชาลส์ ทอมสัน รีส์ วิลสัน (Charles Thomson Rees Wilson) นักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์ มีหลักการทำงานคือ การทำให้ไอน้ำในภาชนะปิดอยู่ในสภาวะที่ใกล้จุดอิ่มตัวและใช้การขยายขนาดของภาชนะให้มีปริมาตรมากขึ้น และเมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านไอน้ำในสภาวะดังกล่าว จะทำให้ไอน้ำควบแน่นเป็นหยดน้ำ เกาะตามเส้นทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน เกิดเป็นรอยทางการเคลื่อนที่ที่สามารถสังเกตและบันทึกภาพเพื่อนำไปวิเคราะห์ได้ 

     ในเวลาต่อมา ห้องหมอกที่คิดค้นโดยวิลสันได้รับการพัฒนาเป็น ห้องหมอกแบบแพร่กระจาย (diffusion cloud chamber) โดยเปลี่ยนจากการใช้ไอน้ำที่ใกล้จุดอิ่มตัว เป็นไอแอลกอฮอล์ที่ใกล้จุดอิ่มตัว และใช้น้ำแข็งแห้งในการลดอุณหภูมิ ดังตัวอย่างที่ได้นำเสนอใน กิจกรรมเสนอแนะ หัวข้อฟิสิกส์อนุภาค

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอกได้นำไปสู่การค้นพบอนุภาคใหม่ ๆ เช่น โพซิตรอน มิวออน เคออน เป็นต้น

รูป 2.9 เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องหมอกที่ได้รับการคิดค้นโดย วิลสัน เก็บไว้ที่ Cavendish Lab มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์  (ภาพโดย Rolf Kickuth ) 

     ต่อมา ในปี ค.ศ. 1952 โดนัลด์ กลาเซอร์ (Donald Glaser) ได้มีการปรับปรุงและพัฒนาเครื่องตรวจวัดอนุภาคโดยใช้ของเหลวโปร่งแสงความร้อนสูงเป็นสารให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน เรียกชื่อเครื่องตรวจวัดอนุภาคชนิดนี้ว่า ห้องฟอง (Bubble Chamber)  โดยเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องฟองสามารถให้รอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีความชัดเจนมากกว่า และคงสภาพของรอยทางได้นานกว่าห้องหมอก อีกทั้ง สามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่กว่าห้องหมอกได้มาก ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ผลการทดลองได้ดียิ่งขึ้น 

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องฟองเป็นจุดเริ่มต้นนำไปสู่การค้นพบอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อน หรือ ซีโบซอน และ ดับเบิลยูโบซอน

รูป 2.10 (ซ้าย) เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องฟองที่ตั้งอยู่ลานกลางแจ้งที่ เซิร์น และ (ขวา) เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องฟอง ที่แฟร์มีแล็บ นครชิคาโก ประเทศสหรัฐอเมริกา  (ภาพซ้ายโดย SCZenz  CERN และภาพขวาโดย Jonathan Haeber Some rights reserved)

รูป 2.11ภาพรอยทางของอนุภาคที่ตรวจวัดได้จากเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบห้องฟองที่ใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นตัวกลางให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน (ภาพซ้ายโดย Ponor  ภายใต้ Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

     ในช่วงปี ค.ศ. 1960 - 1970 เมื่อเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์มีการพัฒนามากขึ้น ได้มีการนำระบบอิเล็กทรอนิกส์มาใช้บันทึกรอยทางของอนุภาค โดยเริ่มจากการพัฒนาเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบ Spark Chamber ที่ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าในการทำให้เกิดประกายไฟตามรอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค แล้วบันทึกผลที่เกิดขึ้นด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ จากนั้น ในปี ค.ศ. 1968 จอร์ช ชาร์ปัก (Georges Charpak)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่ทำงานค้นคว้าวิจัยที่เซิร์นได้คิดค้นเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบ Multi Wire Proportional Chamber หรือ MWPC ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญคือ แผ่นตัวนำขนานกันสองแผ่นที่มีเส้นลวดจำนวนมากและแก๊สเฉื่อย เช่น แก๊สอาร์กอน บรรจุอยู่ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านแก๊สเฉื่อย จะทำให้โมเลกุลของแก๊สแตกตัวเป็นไอออน และอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะลอยเลื่อน (drift) ไปตามทิศทางของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากแผ่นตัวนำและเส้นลวด จนไปถึงเส้นลวดรับสัญญาณที่ใกล้ที่สุด ทำให้เกิดการบันทึกเป็นตำแหน่งการเคลื่อนที่ของอนุภาคด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ ข้อดีของ MWPC คือ สามารถใช้ตรวจวัดอนุภาคที่มีความเร็วสูงได้ดี ซึ่งต่อมา เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบ MWPC ได้รับการพัฒนาต่อยอดเป็นแบบ Drift Chamber ที่สามารถตรวจวัดตำแหน่งของอนุภาคได้แม่นยำมากขึ้น และสามารถแสดงผลในรูปแบบสามมิติได้ ดังตัวอย่างในรูป 2.12

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบ Drift Chamber เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ค้นพบซีโบซอนและ ดับเบิลยูโบซอน

 
รูป 2.12 (ซ้าย) เครื่องตรวจวัดอนุภาค UA1 ที่เซิร์น เป็นแบบ Drift Chamberและ (ขวา) ภาพสามมิติแสดงรอยทางของอนุภาคที่ตรวจวัดได้และส่วนประกอบของเครื่องตรวจวัดอนุภาค (ภาพโดย CERN)

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคที่ใช้ในงานค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบัน ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาคหลายชนิดรวมกัน ติดตั้งเป็นชั้น ๆ  คล้ายชั้นของหัวหอมใหญ่ โดยแต่ละชั้น ใช้ตรวจวัดอนุภาคต่างชนิดกัน เช่น เครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS ย่อมาจาก Compact Muon Solenoid) ที่เซิร์น ดังรูป 2.13 ประกอบด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาคแบบ tracker ติดตั้งอยู่ชั้นในสุด ถัดมาเป็นชั้นของ  electromagnetic calorimeter หรือ ECal และ hadron calorimeter หรือ HCal ตามลำดับ จากนั้นชั้นสุดท้ายเป็น muon drift chamber 

     เครื่องตรวจวัดอนุภาคที่สร้างขึ้นจากการรวมเครื่องตรวจวัดอนุภาคหลายชนิดเข้าด้วยกันแบบซีเอ็มเอสได้นำไปสู่การค้นพบอนุภาคสำคัญในแบบจำลองมาตรฐาน นั่นก็คือ  ฮิกส์โบซอน

รูป 2.13  เครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส ที่เซิร์น

รูป 2.14  (ซ้าย) แผนภาพแสดงส่วนประกอบภายในเครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส และ (ขวา) ชั้นของเครื่องตรวจวัดอนุภาคชนิดต่าง ๆ และ แม่เหล็ก

การค้นพบซีโบซอนและดับเบิลยูโบซอน

     ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 หลังจากที่นักฟิสิกส์ได้พบว่า ธาตุบางชนิดที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร จะเกิดการสลายพร้อมการปล่อยรังสีออกมา โดยรังสีส่วนใหญ่มี 3 ชนิด ได้แก่ รังสีแอลฟา  บีตา  และ แกมมา นักฟิสิกส์ได้พยายามอธิบายธรรมชาติของแรงที่เกี่ยวข้องกับการสลายดังกล่าว โดยในปี ค.ศ. 1933 แฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ชาวอีตาลี ได้เสนอว่า การสลายให้รังสีบีตา มีแรงชนิดหนึ่งเข้ามาเกี่ยวข้อง โดยเขาได้เรียกชื่อแรงนี้ว่า แรงอ่อน (weak force) เนื่องจากเป็นแรงที่มีความเข้มของแรง (strength) น้อยกว่า แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และ น้อยกว่าแรงที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคในนิวเคลียสมาก  แต่ข้อเสนอของแฟร์มียังมีข้อขัดแย้งบางอย่างกับผลที่ได้จากการทดลอง 

     จนกระทั่ง ในช่วงปี ค.ศ. 1961 - 1970 นักฟิสิกส์ 3 คน ได้แก่ กลาโชว์ (Sheldon Glashow)  ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg)  และ  ซาลาม (Abdus Salam)  ได้ร่วมกันพัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับแรงอ่อน โดยเสนอว่า แรงอ่อนที่ทำให้เกิดการสลายให้รังสีบีตา มีอนุภาคสื่อแรง (force carrier) ที่อนุภาคต่าง ๆ ในนิวเคลียสแลกเปลี่ยนไปมา ส่งผลให้เกิดแรงกระทำและนำไปสู่การสลายให้รังสีบีตา อนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อนที่พวกเขานำเสนอ ได้แก่ อนุภาคดับเบิลยูโบซอนบวก (W+) ดับเบิลยูโบซอนลบ (W-) และซีโบซอน (Z0) ซึ่งแนวคิดนี้ ได้ประสบความสำเร็จในการอธิบายผลการทดลองต่าง ๆ เป็นอย่างดี แต่อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ยังไม่แน่ใจถึงการมีอยู่ของอนุภาคทั้งสามเพราะในช่วงเวลานั้น ยังไม่มีการทดลองใด สามารถยืนยันได้ว่า มีอนุภาคทั้งสามอยู่จริง

     และในที่สุด ในปี ค.ศ. 1983 การทดลองการชนกันของลำอนุภาคโปรตอนและแอนติโปรตอน (ปฏิยานุภาคของโปรตอน) ที่เซิร์น ได้นำไปสู่การค้นพบอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อนทั้ง 3 อนุภาค เป็นผลให้ รุบเบีย (Carlo Rubbia) และ  ฟัน เดอร์ เมร์ (Simon van der Meer) สองนักฟิสิกส์ที่เซิร์น ผู้เป็นแกนหลักในการทำการทดลองจนค้นพบอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อนได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1984 รูป 2.15 (ซ้าย) รุบเบีย และ (ขวา) ฟัน เดอร์ เมร์  นักฟิสิกส์ที่นำโครงการค้นคว้าวิจัยที่เซิร์นในการค้นพบอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อนทั้งสาม  (ภาพซ้ายโดย Markus Pössel   ภาพขวาโดย Alchetron)

รูป 2.16 เครื่องตรวจวัดอนุภาค UA1 หนึ่งใน 2 เครื่องตรวจวัดอนุภาค ที่ใช้ในการค้นพบอนุภาค  W± และ Z0  ที่เซิร์น โดย UA1 ประกอบด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาคหลายชนิด ติดตั้งเป็นชั้น ๆ(ภาพจาก CERN)

รูป  2.17 ภาพจำลองสามมิติแสดงผลที่เกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างลำอนุภาคโปรตอนกับแอนติโปรตอน แล้วทำให้เกิดซีโบซอนในครื่องตรวจวัดอนุภาค UA1 โดยเส้นสีฟ้าในภาพ แสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและโพซิตรอนที่มาจากการสลายของอนุภาคซีโบซอน (ภาพจาก CERN)

     การค้นพบอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อนอย่าง W± และ Z0 ช่วยให้เราสามารถอธิบายกระบวนการการสลายให้รังสีบีตาของธาตุหรือไอโซโทปกัมมันตรังสีได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น การตรวจสอบอายุของวัตถุโบราณ การวินิจฉัยโรคด้วยสารกัมมันรังสี การอธิบายการถ่ายโอนความร้อนจากใต้ผิวโลกมายังพื้นโลก หรือ การอธิบายกระบวนการให้พลังงานของดวงอาทิตย์ เป็นต้น

รูป 2.18 ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานของสิ่งมีชีวิตบนโลก การสลายให้รังสีบีตาที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน ทำให้ดวงอาทิตย์มีพลังงานมหาศาล และบางส่วนได้ถูกถ่ายโอนมายังโลก

การค้นพบฮิกส์โบซอน

     อนุภาคฮิกส์ หรือ ฮิกส์โบซอน ได้รับการทำนายไว้ในปี ค.ศ. 1964 โดย ฮิกส์ (Peter Higgs) อองแกลท์ (Francis Englert) และ เบราท์ (Robert Brout) รวมทั้ง นักฟิสิกส์อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อแก้ปัญหาความไม่ลงตัวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานกับผลการทดลองที่มีอยู่ในช่วงเวลานั้น โดยฮิกส์ อองแกลท์ และ เบราท์ ได้เสนอว่า ในพื้นที่ทุก ๆ แห่งในเอกภพ มีสนามชนิดหนึ่ง (ที่ภายหลังเรียกว่า สนามฮิกส์ หรือ Higgs field) กระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ และอันตรกิริยาที่อนุภาคมูลฐานมีกับสนามฮิกส์นี้ ทำให้อนุภาคมูลฐานเหล่านั้นมีมวล 

     ข้อเสนอเกี่ยวกับสนามฮิกส์  ได้รับการยอมรับจากวงการฟิสิกส์อนุภาคเป็นอย่างดี เพราะนอกจากจะช่วยแก้ปัญหาความไม่สอดคล้องกับผลการทดลองแล้ว ยังช่วยให้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานมีความสมมาตรและลงตัวอย่างงดงาม แต่อย่างไรก็ตาม การยืนยันถึงความถูกต้องของแนวคิดที่ฮิกส์นำเสนอ ยังต้องได้รับการพิสูจน์ นั่นคือ การหาหลักฐานว่า อนุภาคฮิกส์ หรือ ฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ซึ่งเป็นสถานะทางควอนตัมของสนามฮิกส์ มีอยู่จริง 

รูป 2.19 (ซ้าย) ฮิกส์ (กลาง) อองแกลท์ และ (ขวา) เบราท์ (ภาพซ้ายและกลางโดย Bengt Nyman  ภาพขวาโดย Pnicolet at en.wikipedia)

     การค้นหาอนุภาคฮิกส์เป็นเรื่องที่ไม่ง่าย เนื่องจากฮิกส์โบซอนไม่ได้ปรากฏให้ตรวจพบได้ในสภาวะปกติทั่วไป นักฟิสิกส์จำเป็นต้องสร้างสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะแสดงตัวให้ตรวจวัดได้ นั่นคือ สภาวะในช่วงเวลาหลังการก่อกำเนิดเอกภพได้ไม่นาน ซึ่งเครื่องมือเดียวที่จะช่วยให้การสร้างสภาวะดังกล่าวเป็นไปได้คือ เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ที่มีศักยภาพสามารถเร่งให้อนุภาคมาชนกันที่พลังงานสูงมากพอ และด้วยจุดมุ่งหมายหลักในการค้นหาฮิกส์โบซอน เซิร์นได้สร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้ชื่อว่าแอลเอชซี (Large Hadron Collider หรือ LHC) ที่มีเส้นรอบวงยาวกว่า 27 กิโลเมตร ลึกลงไปใต้พื้นดินประมาณ 175 เมตร บริเวณชายแดนระหว่างประเทศสวิตเซอร์แลนด์ กับ ฝรั่งเศส ดังรูป 2.3 เพื่อใช้เร่งลำอนุภาคโปรตอนให้มาชนกันที่พลังงานประมาณ 14 TeV หรือ 14 x 1012  อิเล็กตรอนโวลต์  ซึ่งเป็นสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะปรากฏให้ตรวจวัดได้ โดยการยืนยันและตรวจวัดฮิกล์โบซอน จะสามารถทำได้ด้วยเครื่องตรวจวัดอนุภาค 2 เครื่องที่เซิร์นสร้างไว้รองรับการชนกันของลำอนุภาคนโปรตอน ได้แก่ เครื่องตรวจวัดอนุภาคแอทลาส (ATLAS) และ ซีเอ็มเอส (CMS) ดังรูป 2.20 และ 43

 
รูป 2.20 เครื่องตรวจวัดอนุภาคแอทลาส (ATLAS หรือ A Toroidal LHC Apparatus) ที่เซิร์น (ภาพจาก CERN)

รูป 2.21 เครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (CMS หรือ Compact Muon Solenoid) ที่เซิร์น (ภาพจาก CERN)

     เป็นเวลากว่า 48 ปี หลังการทำนายของฮิกส์ ในที่สุด ด้วยความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์หลายพันคน ที่มาจากหลายร้อยประเทศทั่วโลก ในปี ค.ศ. 2012 นักฟิสิกส์ที่เซิร์นได้ประกาศการค้นพบอนุภาคที่มีสมบัติใกล้เคียงฮิกส์โบซอน ซึ่งภายหลัง ด้วยข้อมูลที่มีมากขึ้น พวกเขาได้ยืนยันว่า อนุภาคที่ค้นพบนี้ คือ ฮิกส์โบซอน ตามที่ฮิกส์ อองแกลท์ และ เบราท์ ได้ทำนายไว้

รูป 2.22 ภาพสามมิติแสดงเหตุการณ์ที่ค้นพบฮิกส์โบซอน หลังการชนกันของลำอนุภาคโปรตอนที่พลังงาน 8 TeV บริเวณตรงกลางเครื่องตรวจวัดอนุภาคซีเอ็มเอส (แรเงาสีฟ้า) บันทึกไว้ในปี ค.ศ. 2012 โดยเส้นประสีเหลืองและเส้นทึบหนายาวสีเขียว แสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของคู่โฟตอน ที่มาจากการสลายของฮิกส์โบซอน (ภาพโดย McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration)

ฮิกส์โบซอนสำคัญอย่างไรกับชีวิตประจำวัน

     ถึงแม้ว่าฮิกส์โบซอนจะไม่ปรากฏให้เห็นในสภาวะปกติทั่วไป และถึงแม้จะใช้เครื่องเร่งอนุภาคสร้างสภาวะที่ฮิกส์โบซอนจะปรากฏตัวให้เห็นได้ แต่ฮิกส์โบซอนมีช่วงชีวิต (lifetime) ที่สั้นมาก ความเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของฮิกส์โบซอนจึงไม่เป็นความเกี่ยวข้องโดยตรง แต่เป็นความเกี่ยวข้องโดยอ้อม  ดังที่จะได้กล่าวถึงในหัวข้อต่อไป ประโยชน์จากงานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค

ประโยชน์จากงานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค

     ในการค้นหาฮิกส์โบซอน และในการค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค ที่เป็นการค้นหาองค์ความรู้ที่ไม่เคยรู้มาก่อน เทคโนโลยีหลายชนิด ต้องถูกพัฒนาขึ้นใหม่ หรือพัฒนาจนไปถึงขีดจำกัด เพื่อให้สามารถก้าวข้ามกรอบความรู้เดิมที่มีอยู่ โดยเฉพาะเทคโนโลยีด้านเครื่องเร่งอนุภาค เครื่องตรวจวัดอนุภาค และ คอมพิวเตอร์ ซึ่งได้นำไปสู่นวัตกรรมที่เป็นประโยชน์กับชีวิตประจำวันหลายด้าน ยกตัวอย่างดังต่อไปนี้

ด้านการแพทย์

     งานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคได้นำไปสู่การพัฒนาการรักษาโรคมะเร็งที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น เช่น การพัฒนา PET scanner หรือ Positron Emission Tomography ที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับปฏิยานุภาคในการตรวจวินิจฉัยเซลล์มะเร็งได้ถูกต้องแม่นยำตั้งแต่ในระยะเริ่มแรกของเซลล์มะเร็ง  ช่วยให้สามารถรักษาให้หายได้ง่ายกว่าเมื่อตรวจพบเซลล์มะเร็งในช่วงที่ลุกลามไปมาก หรือ อีกตัวอย่างคือ การพัฒนาวิธีการใช้โปรตอนหรือไอออนหนักในการรักษาโรคมะเร็ง (proton therapy และ heavy ion therapy) ที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาคในการพัฒนาอุปกรณ์ให้สามารถรักษามะเร็งด้วยลำอนุภาคที่ลดผลข้างเคียงกับเนื้อเยื่อดีบริเวณรอบเซลล์มะเร็งได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

รูป 2.23PET Scanner (ภาพโดย liz west from Boxborough, MA, USA )

ด้านเทคโนโลยีสารสนเทศ

     จากลักษณะงานด้านการค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคที่เซิร์น ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักฟิสิกส์จากหลายสิบประเทศทั่วโลก ทำให้มีการพัฒนาระบบการให้บริการด้านข้อมูลที่รู้จักกันในชื่อ World Wide Web หรือ WWW หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า เว็บ เพื่อใช้ติดต่อสื่อสารกันระหว่างนักฟิสิกส์ และต่อมา ระบบนี้ได้รับการพัฒนาเป็นเว็บไซต์สำหรับการซื้อสินค้าออนไลน์ การจองตั๋วเครื่องบิน หรือ การประชาสัมพันธ์ต่าง ๆ ที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ 

รูป 2.24 กราฟิกสื่อถึงการให้ข้อมูลของระบบ World Wide Web (ภาพโดย Anzuluz )

ด้านอุตสาหกรรม

     เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเครื่องเร่งอนุภาคได้นำมาใช้พัฒนาเครื่องมือต่าง ๆ ที่สามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรมได้ เช่น การใช้ลำแสงความเข้มสูงที่เรียกว่า แสงซินโครตรอน (synchrotron light)  ซึ่งได้จากการเร่งอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งอนุภาค ในการศึกษาโครงสร้างของเม็ดพลาสติก หรือ แผ่นเหล็ก เพื่อการปรับปรุงคุณภาพให้ดียิ่งขึ้น

รูป 2.25 เม็ดพลาสติก (ภาพโดย Aney )

ด้านสิ่งแวดล้อม

     เทคโนโลยีในการตรวจวัดอนุภาคของการค้นคว้าวิจัยทางฟิสิกส์อนุภาค ได้นำไปสู่การพัฒนานวัตกรรมตัวรับรู้ (sensor) สำหรับตรวจวัดมลพิษทางอากาศ และ การดูแลผลผลิตทางการเกษตรอย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เทคโนโลยีตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงให้กับเครื่องเร่งอนุภาค ได้รับการนำไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนาสายส่งไฟฟ้าที่สูญเสียพลังงานน้อยลง และการพัฒนาเครื่องบินที่ปล่อยแก๊สเรือนกระจกน้อยลงด้วย

คำถามตรวจสอบความเข้าใจ เซิร์นกับงานวิจัย