Compact Muon Solenoid หรือ CMS เป็นเครื่องตรวจวัดอนุภาคอเนกประสงค์ที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้ตรวจวัดอนุภาคที่เกิดจาก การชนกันของลำอนุภาคโปรตอนในเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider หรือ LHC ที่ CERN ในการศึกษาฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูง
การศึกษาฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงเป็นสาขาการวิจัยระดับแนวหน้าที่มุ่งอธิบายสมบัติทางกายภาพของธรรมชาติในรายละเอียดของสิ่งที่มีขนาดเล็กที่สุด (ไม่สามารถแตกย่อยได้อีก) เราเรียกสิ่งเหล่านี้ว่า “อนุภาคมูลฐาน” (หมายถึง อนุภาคที่ไม่ได้ประกอบขึ้นจากอนุภาคอื่น ไม่มีโครงสร้างภายใน ไม่สามารถแบ่งแยกย่อยต่อไปได้อีก) ทั้งนี้สมบัติของอนุภาคมูลฐานและอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคที่พบจนถึงปัจจุบันสามารถอธิบายได้ครอบคลุมเกือบทั้งหมดโดยทฤษฎีที่เรียกว่า “แบบจำลองมาตรฐาน : Standard Model” ซึ่งเป็นทฤษฎีที่รวบรวมฟิสิกส์ควอนตัม ทฤษฎีเกจสมมาตร และสัมพัทธภาพพิเศษเข้าไว้ด้วยกัน ในปัจจุบันตามแบบจำลองมาตรฐาน กำหนดว่ามีอนุภาคมูลฐานเป็นจำนวน 30 ชนิด และจากการทดลองตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน นักฟิสิกส์พบว่าโดยรวมแล้วสมบัติของอนุภาคมูลฐานที่อธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐานมีความสอดคล้องกับผลการทดลองส่วนใหญ่ที่ได้ดำเนินการมาในอดีต
Compact Muon Solenoid หรือ CMS เป็นเครื่องตรวจวัดอนุภาคอเนกประสงค์ที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อนำมาใช้ตรวจวัดอนุภาคที่เกิดจากการชนกันของลำอนุภาคโปรตอนในเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider หรือ LHC ที่ CERN เพื่อศึกษาทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์พลังงานสูง (Standard Model) ในระดับพลังงานที่สูงมากขึ้น รวมถึงค้นหาอนุภาคใหม่ ๆ ทั้งที่ทำนายไว้ในทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน อาทิ อนุภาคฮิกส์ หรืออนุภาคที่ทำนายไว้ในกลุ่มของทฤษฎีนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน (Beyond Standard Model) อาทิ อนุภาคสมมาตรยิ่งยวด หรือการไขความลับของสสารมืด (Dark matter) เป็นต้น
เครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS ถูกสร้างขึ้นขนาบขดลวดตัวนำยิ่งยวดรูปทรงกระบอก ที่ผลิตสนามแม่เหล็กแรงสูงขนาดถึง 3.8 เทสลา (ความแรงมากกว่าสนามแม่เหล็กโลกประมาณ 100,000 เท่า) ทำให้อนุภาคที่เกิดจากการชนกันในเครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่มีประจุไฟฟ้ามีการเคลื่อนที่แบบวิถีโค้ง สามารถช่วยจำแนกอนุภาคประจุบวกและประจุลบ รวมถึงคำนวณค่าโมเมนตัมของอนุภาคที่เกิดขึ้นได้ ระหว่างขดลวดตัวนำยิ่งยวดนี้ เครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS ประกอบด้วยระบบตรวจจับ 4 ชนิด
- ระบบตามรอยแบบซิลิกอน (Silicon Tracker System)
ประกอบด้วยระบบตามรอยแบบ pixel และแบบ silicon strip ซึ่งทำให้เครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS สามารถหาเส้นทางของอนุภาคที่เกิดจากการชนกันให้มีความแม่นยำสูง ระบบตามรอยสามารถตรวจสอบเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคมิวออนพลังงานสูง อิเล็กตรอน และฮาดรอน (อนุภาคที่มีควาร์กเป็นส่วนประกอบ) รวมไปถึงตรวจสอบเส้นทางการสลายตัวของอนุภาคที่มีอายุสั้น เช่น บีควาร์กและซีควาร์ก ซึ่งนำมาใช้ในการศึกษาอนุภาคจากทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดได้
- เครื่องตรวจวัดพลังงาน Electromagnetic Calorimeter หรือ ECAL
เป็นเครื่องตรวจวัดพลังงานของอิเล็กตรอนและอนุภาคโฟตอน (อนุภาคแสง) แบบเป็นเนื้อเดียวกัน คือทำจากวัสดุที่สามารถทำให้เกิดการสลายตัวและวัดพลังงานได้ภายในเนื้อเดียวกัน วัสดุที่ว่านี้คือแท่งแก้วคริสตัล lead tungstate ซึ่งจะเกิดเป็นประกายแสงเมื่อมีอนุภาคผ่านเข้ามา ปริมาณของประกายแสงจะขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาค ทำให้สามารถนำมาคำนวณพลังงานของอิเล็กตรอนและอนุภาคโฟตอนได้ - เครื่องตรวจวัดพลังงาน Hadron Calorimeter หรือ HCAL
เป็นเครื่องตรวจวัดพลังงานแบบเนื้อผสม ประกอบไปด้วยชั้นของวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง อาทิ ทองเหลืองหรือเหล็กสลับกัน และเครื่องตรวจวัดพลังงานด้วยแสง (plastic scintillator) ที่ทำให้เกิดประกายแสงเมื่อมีอนุภาควิ่งผ่าน โดยเฉพาะอนุภาคฮาดรอนที่มีควาร์กเป็นส่วนประกอบ อาทิ โปรตอน นิวตรอน พายออน และเคออน เป็นต้น - เครื่องตรวจวัดเส้นทางของอนุภาคมิวออน หรือ Muon Chamber
ติดตั้งอยู่ภายนอกขดลวดแม่เหล็กทรงกระบอก โดยทำการวัดตำแหน่งการชนของอนุภาคมิวออนกับอะตอมของก๊าซภายในสี่เครื่องตรวจวัดย่อย แต่ละเครื่องตรวจวัดสอดแทรกอยู่ระหว่างโลหะควบคุมทิศทางสนามแม่เหล็กหรือ return yoke เมื่อนำข้อมูลจาก Muon Chamber ทั้งสี่เครื่องตรวจวัดมารวมกับระบบตามรอยอนุภาคซิลิกอน จะสามารถระบุเส้นทางการเคลื่อนที่ของมิวออนได้อย่างแม่นยำ
เมื่อรวมระบบตรวจจับ 4 ชนิด เครื่องตรวจวัดอนุภาค CMS สามารถตรวจวัดพลังงานแบบครอบคลุมทุกทิศทาง เพื่อสามารถระบุ “พลังงานที่หายไป” จากอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจวัดได้ อาทิ อนุภาคนิวตริโน และนิวตราลิโนในทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด เป็นต้น การตรวจวิเคราะห์อนุภาคต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนี้ เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับแบบจำลองหรือแนวคิดทางทฤษฎีต่าง ๆ จะนำไปสู่การค้นพบอนุภาคชนิดใหม่หรือทฤษฎีฟิสิกส์ใหม่ ๆ ที่ไม่คาดคิดมาก่อน ประเทศไทยนำโดยทีมนักวิจัยของจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยได้ดำเนินความร่วมมือกับ CMS ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2555 เป็นต้นมา โดยมุ่งเน้นความร่วมมือด้านการวิเคราะห์ข้อมูลทางฟิสิกส์ การพัฒนาระบบซอฟต์แวร์ของ CMS การจัดการข้อมูลผลการทดลอง และการพัฒนาเครื่องตรวจวัดอนุภาคฮาดรอน ซึ่งนักวิจัยไทยได้เข้าไปมีส่วนร่วมในหลากหลายส่วนงานดังต่อไปนี้
- ความร่วมมือด้านการวิเคราะห์ข้อมูลทางฟิสิกส์
ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐานผ่านกระบวนการเกิดท็อปควาร์ก 4 ตัว (tttt production) และกระบวนการเกิดคู่อนุภาคฮิกซ์ (Higgs pair production) รวมถึงการค้นหาฟิสิกส์นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน ได้แก่ การค้นหาแม่เหล็กขั้วเดียว (monopole) และการค้นหาอนุภาคฮิกซ์ที่มวลอื่น ๆ (heavy Higgs searches) - ความร่วมมือด้านการพัฒนา CMS ซอฟต์แวร์
เพื่อการจำลองและประมวลผลของ CMS สำหรับ High Luminosity LHC โดยทดลองใช้เทคนิค Loop optimization เพื่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของซอฟต์แวร์ การประสานงานและติดตามการปรับปรุงประสิทธิภาพของซอฟต์แวร์ทั้งทางด้าน Physics performance และความต้องการ computing resource ในการประมวลผล - ความร่วมมือด้านการจัดการหรือ operation
นักวิจัยไทยได้เข้าไปมีส่วนร่วมในทีมบริหารของ CMS เพื่อทำหน้าที่ดูแลการจัดการข้อมูลผลการทดลองและการจำลองด้วยวิธีมอนติคาร์โล และตรวจสอบคุณภาพของ CMS ซอฟต์แวร์ รวมถึงการดูแลให้ทุกส่วนงานใน CMS สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ - ความร่วมมือด้านการพัฒนาเครื่องตรวจวัดอนุภาครุ่นใหม่
โดยทำการศึกษาคุณสมบัติของซิลิกอนเซนเซอร์ ที่จะนำไปใช้ในส่วนของการพัฒนาเครื่องตรวจวัดพลังงานความละเอียดสูง (High-granularity calorimeter, HGCAL) สำหรับ High-Luminosity LHC ซึ่งคาดว่าจะเริ่มเดินเครื่องในปี ค.ศ. 2027 ต่อไป
