เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
เริ่มต้นเช้าวันแรกที่แฟร์มีแล็บ ฉันกินมื้อเช้าเสร็จเรียบร้อย พร้อมทั้งเตรียมอาหารกล่องเพื่อนำไปกินเป็นมื้อกลางวัน แล้วจึงออกจากหอพักมารอรถรับเข้าไปแฟร์มีแล็บ ในปีก่อนหน้านี้เด็กฝึกงานจะได้เข้าพักในโซน Fermilab Village หรือหมู่บ้านแฟร์มีแล็บซึ่งอยู่ใกล้สถานที่ฝึกงาน แต่ปีที่ฉันไปเป็นปีแรกที่มีการเปิดรับเด็กฝึกงานเข้าไปอีกครั้งหลังปิดตัวช่วงโควิดไปเสียนาน บ้านพักในหมู่บ้านจึงยังไม่พร้อมให้การรับรอง
พวกเราต้องมาพักในหอที่ห่างออกไป หากเดินทางโดยรถยนต์ก็ประมาณ 30 นาที แล็บจึงจัดรถบัสเพื่อมารับพวกเราไปทำงานในตอน 9 โมงเช้า และพากลับมาส่งในตอน 6 โมงเย็น ของทุกวันทำงาน ส่วนวันหยุดเสาร์อาทิตย์จะเป็นเวลาอิสระ ฉันกับเพื่อน ๆ มักชวนกันเดินไปร้านค้าบริเวณใกล้ ๆ เพื่อหาซื้อวัตถุดิบกลับมาสำหรับปรุงอาหารเตรียมไว้ในแต่ละสัปดาห์ ฉันมักจะจัดเตรียมไว้ล่วงหน้า 1 วันเสมอ หากวันไหนยังมีเวลาเหลือก็จะออกไปเที่ยวกันบ้าง
วันแรกที่ไปถึงแฟร์มีแล็บ มีนักวิทยาศาสตร์มาพาทัวร์และแนะนำให้รู้จักตึกวิลสันฮอลล์ (Wilson Hall) ตึกหลักของแฟร์มีแล็บที่เรียกได้ว่าเป็นศูนย์กลางของพื้นที่แล็บรวมกว่า 6,800 เอเคอร์ และรูปลักษณ์ของตึกแฝดที่ดูมีเอกลักษณ์นี้ได้แรงบันดาลใจมาจากอาสนวิหารโบแว (Beauvais Cathedral) ที่ประเทศฝรั่งเศส ภายในตึกสูง 16 ชั้นนี้มีทั้งออฟฟิศของนักวิทยาศาสตร์ หอประชุมสำหรับฟังบรรยาย และห้องควบคุมการปฏิบัติการณ์เครื่องเร่งอนุภาค
 ตึก Wilson Hall และวิวที่มองลงมาจากชั้น 11 |
หลังจากเข้าไปถ่ายรูปเพื่อทำบัตรพนักงานแล้วก็ได้เวลาเดินสำรวจบริเวณโดยรอบ ฉันมีโอกาสแวะไปเยี่ยมชม Lederman Science Center ซึ่งเป็นพิพิธภัณฑ์ฟิสิกส์อนุภาคที่เปิดให้เข้าชมได้ฟรี ให้เราได้ทดลองทำและเรียนรู้ผ่านการลงมือเล่น ที่นี่แบ่งออกเป็นทั้งหมด 4 ห้องด้วยกันคือ Ideas Room, Methods Room, Detectors Room และ Accelerator Room
Ideas Room
ห้องนี้จัดแสดงเรื่องขนาดของจักรวาล อนุภาคพื้นฐาน แรงพื้นฐาน และสมมาตรในธรรมชาติซึ่งเป็นหัวใจของฟิสิกส์อนุภาคและแบบจำลองมาตรฐานที่ฉันเคยเล่าไว้ในสาระวิทย์ฉบับเดือนตุลาคม 2568 นอกจากนี้ยังเชื่อมโยงองค์ความรู้แบบสหวิทยาการไปสู่ฟิสิกส์ดาราศาสตร์และควอนตัม ทำให้เห็นว่ากฎฟิสิกส์เชื่อมโยงทุกสเกลของธรรมชาติเข้าด้วยกันได้ ทั้งนี้เพราะนักวิทยาศาสตร์ทำงานโดยตั้งคำถามสำคัญของจักรวาลและสร้างทฤษฎีเพื่ออธิบายคำตอบเหล่านั้น และใช้ฟิสิกส์อนุภาคเป็นเครื่องมือในการพยายามค้นหาว่าเอกภพประกอบด้วยอะไร ทำงานอย่างไร เริ่มต้นขึ้นได้อย่างไร และจะพัฒนาไปต่ออย่างไรในอนาคต ในห้องนี้มีนิทรรศการเชิงโต้ตอบ (interactive) ช่วยให้เราเข้าใจแนวคิดพื้นฐานของงานวิจัยทางฟิสิกส์สมัยใหม่ และความเชื่อมโยงระหว่างสิ่งที่ใหญ่มหึมาที่สุดกับเล็กจิ๋วที่สุดในจักรวาล
 กิจกรรมต่างในห้อง Ideas ที่ในแต่ละสถานีก็จะมีกิจกรรมหลากหลายให้เราทดลองทำ พร้อมคำถามชวนให้คิดตามแบบนักวิทยาศาสตร์ตอนทำวิจัย |
Methods Room
ห้องนี้จัดแสดงเรื่องสมบัติการกระเจิง (scattering) ทั้งในลักษณะของอนุภาคและคลื่นนิทรรศการในห้องนี้สอนเราเรื่องการวิเคราะห์ร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาค (particle track) เพื่อทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐานของสสารและแรงในธรรมชาติ ผ่านการเล่นกับลูกบอลที่กลิ้งไปมา
ในห้องนี้มีโต๊ะแสดงแบบจำลองการชนกันของอนุภาคโดยใช้ลูกบิลเลียด เพื่อให้เห็นชัด ๆ ว่าเมื่อลูกบิลเลียดกลิ้งชนกันแล้ว ส่งผลอย่างไรต่อกันและกัน เช่น ทิศทางและความเร็วในการกลิ้งที่เปลี่ยนไป โดยในจอจะแสดงให้เห็นเส้นทางการเคลื่อนที่ของแต่ละลูก ถ้าเราคอยติดตามเส้นทางเหล่านี้และถ่ายภาพเก็บไว้ ก็จะสืบกลับมาได้ว่าอะไรที่ส่งผลให้เกิดเส้นทางเหล่านั้น คล้ายกับการที่นักฟิสิกส์สังเกตร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาคซึ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับพลังงาน ทิศทาง ความเร็ว และประจุไฟฟ้าของอนุภาค ทำให้เราสามารถศึกษาอนุภาคต่าง ๆ ได้
 แบบจำลองการชนกันของอนุภาคโดยใช้ลูกบิลเลียดและกล้องจับภาพแบบดีเลย์เพื่อแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของลูกบอล อย่างที่เห็นในจอทีวีของรูปทางขวา |
การกระเจิงหรือการเคลื่อนที่กระจายออกไปในหลายทิศทางแบ่งออกได้เป็นการกระเจิงแบบคลาสสิกและแบบควอนตัม โดยอนุภาคนับเป็นวัตถุเชิงควอนตัม คือบางครั้งมันจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น แต่บางครั้งก็เหมือนอนุภาคหรือลูกบอลเล็กจิ๋ว เมื่อวัตถุแบบคลาสสิก เช่น ลูกบิลเลียด ลูกแก้ว ชนเข้ากับสิ่งกีดขวาง มันจะกระเด้งกลับออกไป แต่ถ้าเป็นคลื่นที่ชนเข้ากับสิ่งกีดขวางจะเกิดการเลี้ยวเบน (diffraction) อ้อมสิ่งกีดขวางนั้นไปได้ เหมือนก้อนหินที่อยู่ในเส้นทางลำธารน้ำ ผลที่ตามมาก็คือจะเกิดรูปแบบการแทรกสอด (interference pattern) ขึ้น เมื่อคลื่นที่เลี้ยวเบนมาพบกัน รูปแบบการแทรกสอดนี้เป็นหลักฐานที่แสดงถึงพฤติกรรมแบบคลื่นของอนุภาค
ในการศึกษาอนุภาค นักฟิสิกส์มักบันทึกภาพช่วงเวลาการชนกันของอนุภาค (particle event) เก็บไว้เป็นข้อมูลสำคัญเพื่อนำมาวิเคราะห์ต่อ และนั่นนำมาสู่อีกปัญหาใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยของพวกเราในโปรแกรมฝึกงานนี้โดยตรง เพราะการทดลองทางฟิสิกส์อนุภาคสร้างข้อมูลจำนวนมหาศาล เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นมีมากกว่าหลายล้านครั้งต่อวินาที มากเกินกว่าจะบันทึก จัดเก็บ และวิเคราะห์ได้ทั้งหมด บางทีเราไม่รู้ว่าข้อมูลชุดไหนมีความสำคัญบ้าง ถ้าจะคัดทิ้งก็เสี่ยงต่อการเผลอตัดส่วนสำคัญทิ้งไปและอาจขัดขวางการค้นพบสิ่งใหม่ ๆ ได้
นักฟิสิกส์จึงได้คิดระบบ “ทริกเกอร์” (trigger) ขึ้นมา ระบบนี้ทำหน้าที่คัดแยกรูปแบบจากการชนกันของอนุภาค และสั่งให้คอมพิวเตอร์บันทึกข้อมูลเฉพาะจากปฏิสัมพันธ์ที่น่าสนใจและเกี่ยวข้องเท่านั้น ทำให้ช่วยลดภาระและเวลาไปได้เยอะ โดยยังมั่นใจได้ว่าไม่เสียข้อมูลทิ้งไปเปล่า ๆ
แบบจำลองนี้ให้เราได้ทดลองทำหน้าที่เป็นนักฟิสิกส์ที่ต้องมานั่งดูข้อมูลร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาค โดยจะมีตัวอย่างข้อมูลในแผ่นวงกลมให้เรา 3 ชุด A, B และ C โดยแต่ละลวดลายบนแผ่นวงกลมแทนเหตุการณ์ของอนุภาคที่บันทึกไว้ รูปแบบที่แตกต่างกันแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ที่ต่างกัน ทั้งนี้อาจเป็นเพราะอนุภาคบางชนิดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง บ้างก็โค้งเนื่องจากมีประจุไฟฟ้าและได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็ก บ้างสร้างร่องรอยแตกแขนงออกเมื่อสลายตัวเป็นอนุภาคอื่น เราก็จะได้ลองเล่นปรับมุมและทิศทางของเครื่องยิงลูกบอลเพื่อจับคู่เหตุการณ์ให้ได้ตรงตามข้อมูลที่กำหนดมา นี่แหละคือหน้าที่ของนักฟิสิกส์อย่างเรา ๆ ในการนำข้อมูลและร่องรอยซึ่งเป็นผลลัพธ์ของการชนกันที่เครื่องตรวจจับได้มาสร้างภาพเหตุการณ์ขึ้นใหม่ (reconstructing events) ว่ามันเกิดมาจากอะไร เพื่อทำความเข้าใจอนุภาคขนาดเล็กจิ๋วนี้ และนั่นก็นำเรามาสู่ห้องถัดไป
Detectors Room
ห้องเครื่องตรวจจับอนุภาคนี้จะสอนเราเรื่องเครื่องตรวจจับแบบต่าง ๆ ที่แสดงร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาคและช่วยให้เราศึกษามันได้ ในห้องจะมีทั้งเครื่องตรวจจับรังสีคอสมิกและเครื่องตรวจจับสำหรับการทดลองชนกันของอนุภาคและนิวทริโน แล้วก็ยังจัดแสดงเครื่องตรวจจับอนุภาครุ่นบุกเบิก ทำให้เราได้เรียนรู้ประวัติศาสตร์ของการค้นคว้าในฟิสิกส์ไปด้วย
 ห้อง Detectors ที่จัดแสดงเครื่องตรวจจับอนุภาคต่าง ๆ ในอดีต |
ศาสตร์ของการตรวจจับอนุภาคอาศัยปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคเคลื่อนผ่านสสาร เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสสาร มันจะกระตุ้นและทำให้โมเลกุลตามเส้นทางเกิดการแตกตัวเป็นไอออน
ห้องหมอกหรือคลาวด์แชมเบอร์ (cloud chamber) เป็นรูปแบบหนึ่งของเครื่องตรวจจับอนุภาคในยุคต้นๆ คิดค้นขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1911 โดยใช้ไอของเอทานอลที่มีลักษณะคล้ายกลุ่มเมฆหมอกที่ไวต่อการวิ่งผ่านไปมาของของอนุภาค เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากรังสีคอสมิกเคลื่อนผ่านห้อง มันจะชนกับโมเลกุลของแอลกอฮอล์ ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน (ionization) คล้าย ๆ กับรอยไอของเครื่องบินบนท้องฟ้า ทำให้เรามองเห็นร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาคได้ด้วยตาเปล่า (แต่ที่ฉันถ่ายรูปมาจะเห็นยากหน่อยเพราะมันค่อนข้างจาง)
 คลาวด์แชมเบอร์ที่จัดแสดงอยู่ในห้อง ทำให้เราสังเกตเห็นอนุภาคที่วิ่งผ่านไปมาได้แบบเรียลไทม์ |
 คลาวด์แชมเบอร์แบบถ่ายให้เห็นทางเดินของอนุภาคชัด ๆ |
อนุภาคที่มีมวลและพลังงานต่างกัน ก็จะสร้างร่องรอยของเมฆที่แตกต่างกัน จากการสังเกตลักษณะของเส้นทาง เราจะจำแนกได้ว่าอนุภาคที่พุ่งผ่านไปนั้นเป็นชนิดใด
อนุภาคอัลฟา (alpha particle) อย่างนิวเคลียสของฮีเลียมสร้างร่องรอยหนาและตรง เพราะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนสูงและมีมวลมาก ทำให้อนุภาคถูกเบี่ยงเบนได้ยาก
อนุภาคบีตา (beta particle) อย่างอิเล็กตรอนสร้างร่องรอยบางและคดเคี้ยว เพราะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนต่ำและมีมวลน้อย (จึงเด้งออกหรือเบี่ยงทิศทางเมื่อชนได้ง่าย)
อนุภาคแกมมา (gamma particle) อย่างโฟตอนสร้างร่องรอยสั้นและบาง เพราะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนอ่อนมาก
ต่อมีในปี ค.ศ. 1952 คุณโดนัลด์ เอ. เกลเซอร์ (Donald A. Glaser) คิดค้นห้องฟองหรือบับเบิลแชมเบอร์ (bubble chamber) ขึ้น ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในอีก 8 ปีถัดมา หลักการทำงานของเครื่องนี้คล้ายกับห้องหมอกเลย แต่แทนที่จะใช้ไอระเหย กลับใช้เป็นถังที่บรรจุของเหลวอย่างไฮโดรเจนเหลวที่ถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดเล็กน้อยแทน และเมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่าน ลูกสูบจะลดความดันลงอย่างฉับพลัน ทำให้ของเหลวเข้าสู่สภาวะร้อนยวดยิ่ง (superheated) และกึ่งเสถียร (metastable) จากนั้น อนุภาคที่มีประจุจะสร้างร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออน จะทำให้เกิดฟองอากาศเล็ก ๆ ตามเส้นทางการเคลื่อนที่นั้น ความหนาแน่นของฟองอากาศตามแนวร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออนจะขึ้นกับปริมาณพลังงานที่อนุภาคสูญเสียไปขณะเคลื่อนที่ผ่านของเหลว ทำให้เราถ่ายภาพร่องรอยของอนุภาคและวัดคุณสมบัติของมันผ่านพลังงานที่ปล่อยออกมาได้
 บับเบิลแชมเบอร์ขนาด 15 นิ้ว ที่ใช้ในการทดลองฟิสิกส์อนุภาคที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ในช่วงปี ค.ศ. 1960 (บน) กับอีกเครื่องที่ใหญ่ถึง 180 นิ้ว ที่ใช้ในการศึกษาอนุภาคนิวทริโน ในปี ค.ศ. 1973 และนำไปสู่การค้นพบควาร์กบอตทอมและควาร์กท็อป ตอนนี้ได้นำมาตั้งเป็นงานศิลปะกลางแจ้งที่แฟร์มีแล็บ (ล่าง) |
Accelerator Room
ในการศึกษาอนุภาคพื้นฐาน นักฟิสิกส์มักต้องสร้างอนุภาคเหล่านั้นขึ้นมาก่อน เครื่องเร่งอนุภาคจึงมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มพลังงานให้แก่อนุภาคและสร้างลำอนุภาคพลังงานสูง เพื่อใช้ในการทดลองและศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของอนุภาคเหล่านั้น
เครื่องเร่งอนุภาคแบบเชิงเส้น (linear accelerator) เร่งลำอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วสูงมากจนเข้าใกล้ความเร็วแสง อนุภาคที่ถูกเร่งจะนำไปใช้ผลิตลำนิวทริโนสำหรับการทดลอง โดยแฟร์มีแล็บผลิตลำนิวทริโนที่มีความเข้มสูงที่สุดในโลก !
เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม (circular accelerator) ทำหน้าที่เร่งลำอนุภาคที่มีประจุอย่างเช่น โปรตอน ให้เคลื่อนที่เป็นวงรอบภายในท่อสูญญากาศ เครื่องเร่งประเภทนี้เรียกว่า ซินโครตรอน (synchrotron) ภายในซินโครตรอน อนุภาคจะผ่านบริเวณที่ทำหน้าที่เพิ่มพลังงานหรือจุดเร่ง (kicking zones) ซ้ำ ๆ วน ๆ ไปหลายรอบ ทำให้ได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นในแต่ละรอบ จนกระทั่งพลังงานสูงถึงระดับที่ต้องการสำหรับการทดลอง
 ห้อง Accelerators ที่มีแบบจำลองการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคทั้งสองแบบให้เราได้ทดลองเล่นจริง ๆ เวลากดปุ่มเริ่มก็จะดีดลูกแก้วออกให้เคลื่อนที่ตามเส้นทางและจะมีความเร็วขึ้นเรื่อย ๆ ตามจำนวนรอบที่วิ่งผ่าน |
การมาเยี่ยมชมนิทรรศการนี้ นอกจากจะได้เรียนรู้หลักการทางฟิสิกส์แล้วยังได้เรียนรู้ประวัติศาสตร์ของแฟร์มีแล็บผ่านนิทรรศการที่เต็มไปด้วยเครื่องมือวิทยาศาสตร์เก่าแก่ ทำให้เราได้รู้ว่าในยุคเริ่มต้นของการศึกษาอนุภาคฟิสิกส์นั้นเป็นมาอย่างไร จนพัฒนาต่อมาถึงปัจจุบันที่เทคโนโลยีเข้ามาช่วยให้เราศึกษาค้นคว้าได้อย่างมีประสิทธิภาพและดียิ่งขึ้น และแน่นอนว่ายังมีอีกหลายข้อสงสัยที่ยังรอการค้นหาคำตอบอยู่ หากใครมีโอกาสมาเยี่ยมชมนิทรรศการแห่งนี้จะได้รับแรงบันดาลใจที่อยากจะศึกษาเรื่องราวของฟิสิกส์อนุภาคอย่างมากเลยละ
- ขอขอบคุณข้อมูลจาก Lederman Science Center ใครสนใจอยากไปเยี่ยมชม ติดตามข้อมูลได้ที่ https://education.fnal.gov/lederman-science-center
About Author
