เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
ประสบการณ์จากการช่วยงานอาจารย์บ่อย ๆ รวมทั้งเข้าร่วมกิจกรรมชมรมอย่างสม่ำเสมอ ทำให้ฉันได้รับโอกาสทำงานเป็นผู้ช่วยสอนและตรวจการบ้านในรายวิชาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ ฉันได้รู้จักกับรุ่นพี่ที่กำลังทำวิทยานิพนธ์ สิ่งนี้ช่วยเสริมสร้างประสบการณ์การทำงานวิจัยและการเขียนบทความเชิงวิชาการอันเป็นทักษะจำเป็นสำหรับนักเรียนที่ต้องการจะศึกษาต่อในสาขาวิทยาศาสตร์ระดับสูงต่อไป ฉันคิดว่ามันน่าสนใจอยู่ไม่น้อย ทุกปิดเทอมฤดูหนาวฉันจึงสมัครเป็นผู้ช่วยงานวิจัยในห้องแล็บ และได้เป็นส่วนหนึ่งของภารกิจไขความลับของจักรวาลด้วยนิวทริโน
กลุ่มของอาจารย์เจมส์และนักเรียนที่เวลส์ลีย์คอลเลจ (Wellesley College) กำลังช่วยพัฒนาเครื่องมือตรวจจับสัญญาณภายในเครื่องตรวจจับนิวทริโนแบบอาร์กอนเหลวซึ่งมีขนาดใหญ่เท่าตึก นึกถึงตู้ปลาใหญ่ยักษ์ที่ต้องใช้เวลาเป็นปีถึงจะเติมให้เต็มถังได้น่ะ อย่างที่ใช้ในโครงการดูน (Deep Underground Neutrino Experiment: DUNE) ซึ่งมีเป้าหมายหลักในการศึกษาปรากฏการณ์การเปลี่ยนรสชาติของนิวทริโน (neutrino oscillation) โดยยิงลำแสงนิวทริโนจากต้นกำเนิดที่เฟอร์มีแล็บ (Fermilab) ในรัฐอิลลินอยส์ สหรัฐอเมริกา ให้เดินทางผ่านใต้ดินไกลกว่า 1,300 กิโลเมตร ไปยังเครื่องตรวจวัดที่ห้องปฏิบัติการ Sanford Underground Research Facility ในรัฐเซาท์ดาโกตา จึงต้องติดตั้งเครื่องตรวจวัดสองตำแหน่ง คือ เครื่องตรวจวัดระยะใกล้ (near detector) ตรวจสอบชนิดของนิวทริโนที่สร้างขึ้นจากเครื่องเร่งอนุภาคก่อนออกเดินทาง และเครื่องตรวจวัดระยะไกล (far detector) ตรวจวัดอีกครั้งเมื่อถึงจุดหมาย เพื่อดูว่านิวทริโนได้เปลี่ยนรสชาติไปเป็นแบบใดบ้างในระหว่างการเดินทางของมัน
ภาพที่สร้างขึ้นจากการประมวลผลข้อมูลที่เก็บได้จากแผงตรวจวัดเพื่อแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค โดยมองจากมุมมองด้านบนของเครื่องตรวจวัด ในแผนภาพมุมขวาล่างแสดงการระบุชนิดของอนุภาคจากเส้นทางการเดินทางของมัน ซึ่งช่วยให้เราศึกษาชนิดและคุณสมบัติของอนุภาคนั้น ๆ ได้ ในภาพนี้ p หมายถึงโปรตอน (proton) และ μ หมายถึงมิวออน (muon) ซึ่งเป็นผลผลิตจากอันตรกิริยาระหว่างนิวทริโนกับอาร์กอน
ที่มาภาพ : MicroBooNE Collaboration
เทคนิคการตรวจจับนิวทริโนในเครื่องที่เรียกว่า LArTPC (Liquid Argon Time Projection Chamber) คือ เมื่อนิวทริโนจำนวนมากเดินทางเข้ามาในถังที่เต็มไปด้วยอาร์กอนเหลว จะมีโอกาสเล็กน้อยที่นิวทริโนสุดขี้อายทำอันตรกิริยากับอะตอมของอาร์กอนด้วยการพุ่งเข้าชนและก่อให้เกิดอนุภาคอื่น ๆ โดยเฉพาะพวกเลปตอนมีประจุ ที่จะเดินทางต่อไปในอาร์กอนเหลวและทำการไอออไนซ์ (ionize) หรือก็คืออนุภาคที่พลังงานสูงพุ่งมาเตะอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของอาร์กอนที่มันเคลื่อนผ่าน การออกแบบระบบสนามไฟฟ้านี้ อิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจะถูกดึงให้เคลื่อนไปยังแผงตรวจวัดอีกด้านหนึ่งของถัง ทำให้บันทึกร่องรอยการเดินทางและสร้างภาพสามมิติของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้อย่างละเอียด
ในส่วนงานของฉัน ในฐานะนักศึกษาปริญญาตรี ขอสารภาพว่าช่วงเวลาที่ฉันทำวิจัยอยู่ที่นี่ ฉันยังไม่ได้ ‘แตะ’ นิวทริโนเลย ฉันหมายถึงในแง่ของงานวิจัย หนทางยังอีกยาวไกลกว่าฉันจะได้ไปรับมือกับนิวทริโนจริง ๆ เพราะสิ่งที่ฉันสามารถตรวจจับได้มีเพียงอิเล็กตรอนที่เป็นผลพลอยได้จากการทำอันตรกิริยากันระหว่างนิวทริโนกับอาร์กอนเท่านั้น แต่ในความเป็นจริงแล้วพวกเราทุกคนได้แตะนิวทริโนอยู่ตลอดเวลา เพราะมีนิวทริโนถึงพันล้านล้านอนุภาควิ่งผ่านมือเราในทุก ๆ 1 วินาที เชื่อไหมล่ะ !
หลักการสำคัญในการตรวจจับนิวทริโนในการทดลองแบบ DUNE ก็คือ เรามีถังอาร์กอนเหลวที่ใช้เป็นตัวกลางให้นิวทริโนเข้ามาทำอันตรกิริยาและสร้างอนุภาคต่าง ๆ มากมาย ต่อมาอนุภาคเหล่านั้นก็เดินทางไปในอาร์กอนเหลว ส่งผลให้เกิดการไอออไนซ์และปล่อยอิเล็กตรอนที่เดินทางต่อไปในสนามไฟฟ้า แผงตรวจวัดก็มีหน้าที่รับอิเล็กตรอนเหล่านี้เข้าไป แล้วปล่อยแรงดันไฟฟ้าออกมาตามจำนวนอิเล็กตรอนที่ได้รับ เมื่อเราวัดแรงดันไฟฟ้านั้นก็จะรู้ได้ว่าเราดักจับอิเล็กตรอนได้กี่อนุภาคในแต่ละจุด พอนำข้อมูลมารวมกัน เราก็จะมองเห็นร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาคซึ่งโดยปกติแล้วจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ดังแสดงในภาพด้านล่างนี้ ที่เต็มไปด้วยข้อมูลสำคัญในการศึกษาชนิดของอนุภาค พลังงานที่วัดได้ และสืบสาวไปถึงนิวทริโนตัวต้นเหตุของอันตรกิริยานั้น ๆ
ภาพแสดงแผงตรวจจับอนุภาคแบบพิกเซล โดยเส้นสีน้ำเงินคือเส้นทางเดินของอนุภาคจากการทำอันตรกิริยาระหว่างนิวทริโนกับอาร์กอนเหลวในถัง ด้วยอิทธิพลของสนามไฟฟ้า (E) ที่มีทิศชี้ไปทางซ้าย อิเล็กตรอนที่เกิดจากการไอออไนซ์ของอนุภาคเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปทางขวาเข้าหาแผงตรวจจับ และแต่ละพิกเซลก็ทำการเก็บข้อมูลของอิเล็กตรอนที่เดินทางมาถึง ทำให้เรารู้ตำแหน่งบนแกน x,y จากตำแหน่งพิกเซล และบนแกน z จากเวลาที่อนุภาคนั้น ๆ เดินทางมาถึง ประมวลผลออกมาได้เป็นเส้นทางเดินสามมิติแบบที่เกิดขึ้นภายในถังจริง
การตรวจวัดอิเล็กตรอนนั้นไม่ยาก อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบและมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา กระแสไฟฟ้าที่ให้พลังงานแก่หลอดไฟ มือถือ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบ้านเราก็คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาลไปตามวงจรไฟฟ้า แต่ที่ยากคือขนาดของเจ้าถังอาร์กอนเหลวที่ใหญ่มหึมาเพื่อเพิ่มโอกาสให้นิวทริโนในการทำอันตรกิริยาได้ นั่นหมายถึงจะมีอนุภาคจำนวนมากที่เราจะต้องตรวจจับกัน ส่งผลให้มีข้อมูลจำนวนมหาศาลที่ต้องนำมาจัดการอีกด้วย แล้วคำถามถัดมาก็คือเราจะจัดการมันอย่างไรให้ได้ประสิทธิภาพดีที่สุดและได้ข้อมูลที่แม่นยำที่สุด เหมือนกับเวลาเราอยากจะถ่ายภาพให้ชัด ๆ สวย ๆ เราก็ย่อมต้องเลือกกล้องสเปกสูง ๆ เพื่อให้ได้ภาพชัดแจ๋ว เช่นเดียวกันในการตรวจจับอนุภาคที่เล็กจิ๋ว เราก็ยิ่งต้องเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจวัดให้ยิบย่อยเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ละเอียดคมชัดที่สุด และเพราะเทคโนโลยีมีการพัฒนาขึ้นอยู่ทุกวัน เรายังคงศึกษาหาทางพัฒนาเทคนิคการตรวจวัดนี้ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก จึงเกิดเป็นแนวคิดเครื่องตรวจจับอนุภาคแบบพิกเซลที่นำมาสู่งานวิจัยที่ฉันได้มีโอกาสเข้าร่วมด้วย ชื่อว่า โครงการ Q-Pix (คิวพิกซ์)
Q-Pix เกิดจากความร่วมมือกันของหลายองค์กร ทั้งมหาวิทยาลัย และห้องแล็บระดับชาติอย่าง University of Texas at Arlington, University of Pennsylvania, Argonne National Labs รวมทั้งเวลส์ลีย์คอลเลจด้วย ในแต่ละจุดของแผงตรวจจับอนุภาคแบบพิกเซลประกอบขึ้นจากวงจรเล็กจิ๋วจำนวนมากรออยู่ เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งไปถึงก็จะทำการเก็บข้อมูลใน ณ ตำแหน่งนั้น ๆ พอนำข้อมูลแต่ละจุดมารวมกันก็คล้ายกับการวาดลากเส้นต่อจุดจนเกิดเป็นภาพเส้นทางของอนุภาคขึ้นมา
เนื่องจากฉันต้องทำงานกับระบบอิเล็กทรอนิกส์และเซนเซอร์จำนวนมาก ตอนเข้าแล็บช่วงแรก ๆ จึงเน้นไปที่การทำความเข้าใจกับวงจรที่จะใช้ในเทคโนโลยีนี้ที่มีชื่อว่า charge sensitive amplifier (CSA) หรือ วงจรขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่แปลงประจุ (charge) ที่เซนเซอร์จับได้ให้เป็นแรงดันไฟฟ้า (voltage) เพื่อนำไปประมวลผลต่อได้ เราใช้วงจรนี้แหละในการดักจับอิเล็กตรอนและรายงานผลเป็นข้อมูลที่ใช้ในการศึกษาอนุภาคที่เกิดขึ้นภายในถังนั้น
ส่วนแผนระยะยาวคือ แผงรับสัญญาณของถัง LArTPC จะมีพิกเซลเล็กจิ๋วจำนวนมาเพื่อจับข้อมูลในแต่ละตำแหน่ง จนได้ข้อมูลที่จำเป็นต่อการติดตามเส้นทางของอนุภาคในสามมิติ อธิบายได้ดังนี้คือ แกน x และ y เป็นความกว้างและยาวของถัง ส่วนแกน z คือเวลาที่อิเล็กตรอนใช้ในการเดินทางผ่านแผงตรวจวัด เราอาจเรียกการเก็บข้อมูลแบบนี้ว่าได้ถึงสี่มิติ เนื่องจากข้อมูลสำคัญอีกอย่างที่เราสนใจคือพลังงานของอนุภาคซึ่งประเมินได้จากปริมาณประจุที่เก็บได้ในแต่ละตำแหน่ง ดังเช่นสีที่ปรากฏในภาพที่แสดงถึงปริมาณประจุที่อนุภาคปล่อยไว้หรือพลังงานที่สูญเสียตามเส้นทางการเคลื่อนที่
ด้วยการใช้วงจรรวมเฉพาะงานที่เรียกว่า เอสิก (application-specific integrated circuit: ASIC) วงจรในหน่วยย่อยเล็ก ๆ นี้สื่อสารต่อกันได้เพื่อช่วยขับเคลื่อนข้อมูลจากในถังอย่างมีประสิทธิภาพ และจะมาเป็นเทคโนโลยีทางเลือกแทนแผงลวดตรวจวัด (wire plane) ที่ใช้อยู่ใน Microboone (ไมโครบูน) หรือโครงการดูน เรื่องนี้ฉันเคยเขียนอธิบายไว้ในสาระวิทย์ในศิลป์ ฉบับที่ 137 เดือนสิงหาคม ถึงฉบับที่ 139 เดือนตุลาคม พ.ศ. 2567
ในยุคที่เทคโนโลยีเราก้าวไกลและมีการใช้เทคนิคใหม่ในการทำวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องใช้สายไฟจำนวนมากแบบแต่ก่อนแล้ว เป้าหมายของการเปลี่ยนแปลงนี้หลัก ๆ คือการผลิตและดูแลในระยะยาว ถ้าเป็นแบบสายไฟ หากสายใดสายหนึ่งพังขึ้นมา เราอาจจะสูญเสียข้อมูลของทั้งแถวนั้นไปได้เลย หรือยิ่งไปกว่านั้นหากสายไฟหนึ่งขาดและล้มทับสายอื่น ๆ ไปด้วย ก็ต้องมาซ่อมแซมกันใหม่ทั้งหมด แต่ถ้าเราใช้เป็นพิกเซลแทน หากมีบางพิกเซลพัง พิกเซลอื่นยังทำงานต่อไปได้โดยไม่ติดขัด และด้วยความที่มันเป็นหน่วยเล็ก ๆ จำนวนมาก การประยุกต์ใช้ในการทดลองอื่นที่อาจมีถังขนาดแตกต่างออกไปก็ง่ายต่อการปรับเปลี่ยนโครงสร้าง เพียงแค่เพิ่มหรือลดจำนวนพิกเซลเท่านั้น จึงช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในกระบวนการผลิตให้สะดวกยิ่งขึ้น
การเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มวิจัยนี้ทำให้ฉันได้รู้ถึงความหลากหลายของโครงการและหน้าที่ต่าง ๆ ที่ต้องร่วมมือกันประกอบขึ้นเป็นการทดลองหนึ่ง ๆ กลุ่มของเราที่เวลส์ลีย์คอลเลจจะโฟกัสอยู่ที่การสร้าง LArTPC ขนาดเล็กเพื่อเป็นสนามทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กลุ่มอื่นในความร่วมมือพัฒนาขึ้นมา ในขณะที่จะมีคนรับหน้าที่ออกแบบแผงวงจรและส่งผลิต นอกจากนี้เราก็ต้องมีกลุ่มที่ทำงานด้านการประมวลผลข้อมูลโดยเฉพาะ เพื่อศึกษาว่าหลังจากแผงวงจรเราเริ่มเก็บข้อมูลแล้วเราจะดึงมันออกมาใช้ได้อย่างไร ซึ่งก็ต้องมีการจัดการระบบการคัดแยกข้อมูลออกจากสัญญาณรบกวนในพื้นหลัง รวมไปถึงการออกแบบซอฟต์แวร์ในการอ่านค่าและควบคุมการทำงานเพื่อให้การใช้งานนั้นง่ายขึ้น ด้วยความที่กลุ่มเราเป็นความร่วมมือจากหลายฝ่าย จึงมีการประชุมรายสัปดาห์ที่ทุกคนจะมาอัปเดตความคืบหน้าของแต่ละโพรเจกต์อยู่เสมอ
ฉันได้พูดคุยกับหลายคนในกลุ่ม ตั้งแต่เด็กปริญญาตรีเหมือนฉัน ไปจนถึงนักศึกษาปริญญาโทและเอก จนถึงคนที่เรียนจบมาทำงานเป็นนักวิจัยเต็มตัวแล้ว ทั้งที่ทำงานในสายการศึกษาอย่างศาสตราจารย์ของมหาลัยอื่นที่ทำวิจัยควบคู่ไปกับการสอนและเป็นที่ปรึกษาโครงงานวิจัยให้แก่เด็กนักเรียน นอกจากนี้ก็ยังมีกลุ่มที่ทำงานในอุตสาหกรรมกับห้องปฏิบัติการแห่งชาติที่เน้นทำการทดลองและผลิตบทความวิจัย ทุกครั้งที่ฉันเข้าร่วมประชุม เมื่อได้ฟังแต่ละคนอธิบายงานของตน ฉันรู้สึกว่ามันน่าสนใจมาก เพราะทำให้ได้มุมมองใหม่ว่าในสาขาการทดลองฟิสิกส์อนุภาคที่ฟังดูเฉพาะเจาะจงมาก แต่ในสายอาชีพนี้กลับกว้างขวาง ฉันได้เรียนรู้อะไรใหม่ ๆ ในหัวของฉันเต็มไปด้วยคำถามมากกว่าคำตอบมากมาย และเมื่อฉันนำเสนองานในส่วนของฉัน ก็ได้รับรู้ว่าทุกคนเองก็เกิดมีคำถามมากมายเช่นกัน
เมื่อเราต่างคนต่างรับผิดชอบงานในส่วนงานของตัวเอง จึงเป็นเรื่องปกติมากที่ทุกครั้งของการประชุมเราจะเกิดความรู้สึกว่า “เราทำงานชิ้นเดียวกันอยู่จริง ๆ หรือนี่ !” อาจารย์เจมส์มักกล่าวกับฉันเสมอว่าเมื่อเราได้ลงมือทำโครงงานสักชิ้นอย่างลงลึกและยาวนานระยะหนึ่งแล้ว เราก็จะกลายเป็นผู้ซึ่งรู้ลึกซึ้งในงานนั้น ๆ ฉะนั้นจงอย่ากังวลว่าเราจะรู้เรื่องงานของคนอื่นไหม สิ่งที่สำคัญและควรทำคือเราต้องสื่อสารงานของเราเพื่อชี้ให้เห็นถึงความเกี่ยวเนื่องสัมพันธ์กันได้ และเมื่อหลายโครงการมารวมกันจนเกิดเป็นงานวิจัยขนาดใหญ่ที่ใช้ตอบคำถามสำคัญในฟิสิกส์ได้ ก็เปรียบเสมือนกับอนุภาคเล็กจิ๋วมารวมตัวกันจนเกิดเป็นสสารและวัตถุต่าง ๆ อย่างมากมายเลย
นอกจากฉันจะได้ฝึกทักษะการนำเสนองานวิจัยต่อกลุ่มผู้ฟังที่หลากหลายแล้ว ฉันยังได้เรียนรู้หนทางการเรียนต่อและโอกาสการทำงานจากผู้ที่อยู่ในสายงานนี้โดยตรง นับเป็นประสบการณ์ที่สร้างแรงบันดาลใจให้แก่ฉันเป็นอย่างมาก ทำให้ได้เห็นความสำคัญของอาชีพนักวิทยาศาสตร์มากยิ่งขึ้นไปอีก และก่อให้เกิดความมั่นใจว่านี่คือสิ่งที่ฉันอยากจะทำต่อไปหลังเรียนจบ แล้วฉบับหน้าจะมาเล่าให้ฟังว่าใน 12 ชั่วโมงต่อสัปดาห์ที่ฉันขลุกอยู่ในห้องแล็บนั้น ฉันได้ทำอะไรไปบ้าง
About Author
