เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
หลังการเดินทัวร์ทั่วแฟร์มีแล็บและผ่านการอบรมฝึกสกิลให้พร้อมเป็นเด็กฝึกงานเต็มตัวแล้ว ทุกคนก็พร้อมลุย เดินหน้าเริ่มงานวิจัยกันเลย ! ณ ตอนนี้ทุกคนจะมีมุมออฟฟิศของตัวเองไว้นั่งทำงานระหว่างวัน พร้อมได้รับแล็ปท็อปส่วนตัวสำหรับใช้ตลอดช่วงเวลาฝึกงาน
 ภาพมุมออฟฟิศของฉันที่ชั้น 10 ของตึก Wilson Hall ในประเป๋าฉันก็จะพกสมุดไว้จดบันทึก แล็ปท็อปให้เขียนโปรแกรม และที่สำคัญที่สุด ข้าวกล่องมื้อกลางวันแสนอร่อยที่ฉันแพ็กมากิน |
ฉันและเพื่อน ๆ ได้แยกย้ายกันไปเจอกับเมนเทอร์หรือที่ปรึกษาโครงงานของแต่ละคน โดยส่วนมากจะแยกย้ายกันไปแต่ละสถาบัน แล้วแต่ว่าที่ปรึกษาเป็นอาจารย์จากที่ไหน และมี 8 คนที่ต้องอยู่แฟร์มีแล็บต่อ รวมถึงฉัน เพราะเมนเทอร์ของฉันคือ ดร.เจนเนต ดิกคินสัน (Dr. Jennet Dickinson) ซึ่งขณะนั้นเป็นผู้ช่วยวิจัยระดับสูง (research associate) ที่แฟร์มีแล็บ ปัจจุบันเป็นอาจารย์และนักวิจัยที่ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยคอร์เนล (Cornell University)
โครงงานที่ฉันได้ร่วมทำเป็นส่วนหนึ่งของโครงการอัปเกรด High Luminosity (HL-LHC) ซึ่งเป็นการพัฒนาครั้งสำคัญของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (Large Hadron Collider, LHC) ที่ศูนย์วิจัยเซิร์น (CERN) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์
เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี คือ เครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดในโลก ทำหน้าที่เร่งอนุภาคให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงและมาชนกัน ทำให้เราศึกษาส่วนประกอบพื้นฐานของสสารและกฎทางฟิสิกส์ของจักรวาลได้ มีการเดินเครื่องเพื่อเก็บข้อมูลการทดลองมาแล้ว 3 ครั้ง ได้แก่ Run 1 (ค.ศ. 2009-2013), Run 2 (ค.ศ. 2015-2018) และ Run 3 (ค.ศ. 2022-2026) โดยในแต่ละครั้งก็ได้สร้างองค์ความรู้สำคัญทางฟิสิกส์อนุภาคจำนวนมาก รวมถึงการค้นพบอนุภาคฮิกส์โบซอนในปี ค.ศ. 2012
วันที่ 29 มิถุนายนที่เพิ่งผ่านไป เป็นวันสุดท้ายของการเก็บข้อมูลใน Run 3 ก่อนที่จะปิดปรับปรุงเครื่องครั้งใหญ่ที่เรียกว่า Long Shutdown 3 (LS3) ระหว่างปี ค.ศ. 2026-2029 ตามกำหนด
การอัปเกรด HL-LHC นี้มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มจำนวนการชนของอนุภาคให้มากขึ้นถึงประมาณ 5 ถึง 10 เท่าเมื่อเทียบกับจำนวนที่ทำได้อยู่ในตอนนี้ การพัฒนานี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เก็บข้อมูลได้มากขึ้นและเพิ่มโอกาสในการค้นพบปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ใหม่ ๆ ที่ซ่อนตัวอยู่ในบรรดาข้อมูลมหาศาลเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อจำนวนการชนกันเพิ่มขึ้นเยอะ ระบบตรวจจับอนุภาคเดิมย่อมต้องรองรับภาระหนักขึ้นและอาจแยกแยะข้อมูลจากการชนที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลาย ๆ อันได้ไม่แม่นยำแบบเคย เลยเป็นเหตุผลว่าทำไมต้องพัฒนาระบบตรวจจับรุ่นใหม่ที่มีความละเอียดสูงกว่า เร็วกว่า และทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่มีรังสีเข้มข้นมากขึ้น เสมือนการอัปเกรดจากกล้องความละเอียดปกติไปเป็นกล้องความละเอียดสูงที่เก็บรายละเอียดได้มากกว่าเดิมหลายเท่า เพราะยิ่งเวลาผ่านไป ก็ยิ่งมีนวัตกรรมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นมาแทนที่เทคโนโลยีเก่าเสมอ
โพรเจกต์ของฉันมีชื่อว่า “Quality Assurance of Macro-Pixel Sub-Assemblies (MaPSA) before installation in CMS” MaPSA เป็นองค์ประกอบหนึ่งของเครื่องตรวจจับอนุภาค CMS (compact muon solenoid) มีหน้าที่ตรวจจับตำแหน่งที่อนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเพื่อใช้ในการคำนวณและสร้างเส้นทางร่องรอยของอนุภาค (particle track) MaPSA ประกอบด้วยแถบเซนเซอร์ PS-p (macro-pixel sensor) และวงจรอ่านสัญญาณ macro-pixel ASIC (MPA) จำนวน 16 ชิป
เซนเซอร์ PS-p เป็นเซนเซอร์ซิลิคอนชนิดพิกเซล (silicon pixel sensor) ที่แบ่งพื้นที่ตรวจจับออกเป็นพิกเซลขนาดเล็กจำนวนมาก เมื่ออนุภาคมีประจุผ่านเซนเซอร์จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าภายในซิลิคอน พิกเซลที่อนุภาคผ่านจะสร้างสัญญาณไฟฟ้าซึ่งบ่งบอกตำแหน่งของอนุภาคได้อย่างแม่นยำ
ซิลิคอนเป็นวัสดุหลักที่ใช้สร้างเครื่องตรวจจับอนุภาค เพราะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) ที่สร้างสัญญาณไฟฟ้าได้ดีเมื่อมีอนุภาคหรือแสงผ่านเข้ามาจึงตรวจจับได้แม่นยำและรวดเร็ว อีกเหตุผลสำคัญคือ อุตสาหกรรมการผลิตซิลิคอนมีมานาน ทำให้ผลิตได้คุณภาพสูง ราคาถูก และทำเครื่องตรวจวัดขนาดเล็กจิ๋วและมีความละเอียดมากได้ไม่ยากนัก นอกจากนี้ซิลิคอนยังเชื่อมต่อกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ง่าย ทนรังสีได้ดีพอ และใช้งานได้สะดวกกว่าวัสดุหลายชนิด จึงเป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมสูงและใช้กันบ่อยในการวิจัยฟิสิกส์
ส่วนตัวชิปอ่านสัญญาณเป็นวงจรรวมเฉพาะกิจ (application-specific integrated circuit, ASIC) ที่ออกแบบมาเพื่อรับและประมวลผลสัญญาณจากเซนเซอร์ PS-p โดยทำหน้าที่ขยายสัญญาณ กรองสัญญาณรบกวน แปลงสัญญาณให้อยู่ในรูปดิจิทัล ก่อนนำส่งข้อมูลไปยังระบบอ่านข้อมูลของเครื่องตรวจจับ โดยวงจรอ่านสัญญาณ MPA แต่ละวงจรอ่านข้อมูลจากพิกเซลได้ทั้งหมด 1,888 พิกเซลด้วยกัน
เซนเซอร์กับชิปอ่านสัญญาณนี้เชื่อมต่อกันด้วยเทคนิค bump bonding หรือเทคนิคที่ใช้เม็ดโลหะขนาดเล็กจิ๋ว (microscopic solder bump) เชื่อมต่อพิกเซลแต่ละตำแหน่งของเซนเซอร์เข้ากับวงจรของ MPA แบบหนึ่งต่อหนึ่ง (one-to-one) ทำให้รับสัญญาณจากทุกพิกเซลได้อย่างรวดเร็วและมีความแม่นยำสูง MPA ผลิตในรูปแบบแผ่นเวเฟอร์ (wafer) ที่มีหลายชิปอยู่รวมกัน (wafer pack) ก่อนจะถูกตัดออกเป็นชิปเดี่ยว แต่ละชิปจะได้รับ ID หรือรหัสประจำตัวตามตำแหน่งแถวและคอลัมน์ของชิปบนเวเฟอร์
อย่างไรก็ตามในขั้นตอนการผลิตเซนเซอร์ก็ย่อมมีบ้างที่ออกมาไม่สมบูรณ์หรือมีข้อผิดพลาด คล้ายกับการผลิตสินค้าแล้วต้องมีการควบคุมคุณภาพหรือคิวซี (quality control, QC) ก่อนนำส่งออกขาย และนั่นคือหน้าที่ของฉันในช่วงซัมเมอร์นี้… การคิวซีเซนเซอร์จำนวนนับล้านชิ้นก่อนนำไปใช้เก็บข้อมูลในการทดลองฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ระดับโลก !
 MaPSA 1 ชุดที่ประกอบไปด้วยเซนเซอร์ซิลิคอนหนึ่งแถบที่เชื่อมเข้ากับวงจร MPA 16 ชิป |
ใน MaPSA จะประกอบไปด้วย MPA จำนวน 16 ชิป แต่ละชิปเชื่อมเข้ากับ 1,888 พิกเซล ดังนั้น MaPSA หนึ่งชุดจึงมีพิกเซลรวมแล้วทั้งหมด 30,208 พิกเซล อัดแน่นอยู่ในสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 10 x 5 เซนติเมตร และเราต้องการ MaPSA กว่า 5,592 ชุด เพื่อครอบคลุมพื้นผิวทั้งหมดของระบบติดตามอนุภาคชั้นนอก (outer tracker) ใน CMS และเราต้องทดสอบพิกเซลแต่ละตัวในแต่ละชิปอย่างละเอียด เพื่อให้มั่นใจว่าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ทุกคนคงจะจินตนาการกันได้ว่า เราต้องเตรียมรองรับข้อมูลที่มหาศาลขนาดไหนจากการทดสอบทุกพิกเซลในทุกชิ้นส่วนก่อนจะนำมาใช้ได้จริง
โครงการที่ฉันร่วมทำมีเป้าหมายในการพัฒนาระบบจัดการข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสำหรับการประกันคุณภาพของ MaPSA โดยช่วยให้ติดตามสมรรถนะของพิกเซลทุกตัวใน MaPSA ผ่านฐานข้อมูลที่เข้าถึงได้ง่าย ก่อนที่จะนำไปติดตั้งในระบบ CMS
นอกจากการนั่งทำงานที่ออฟฟิศเพื่อเขียนโปรแกรมและจัดการกับฐานข้อมูลแล้ว อีกที่ที่ฉันต้องเข้าไปทำงานบ่อย ๆ ก็คือ Silicon Detector Facility ที่ฉันมีโอกาสเข้าไปทำงานในห้องปฏิบัติการสะอาดหรือคลีนรูม (clean room) เพื่อตรวจวัดคุณภาพของเซนเซอร์แต่ละชิ้น โดยส่งสัญญาณทดสอบ (test pulses) และตรวจวัดสัญญาณที่ได้ออกมา คุณสมบัติของพิกเซลที่ดีคือ บันทึกการตอบสนองต่อสัญญาณทดสอบได้ครบทั้ง 100 ครั้ง และยังต้องปิดการทำงานได้อย่างสมบูรณ์ด้วยการตั้งค่าบิตสำหรับการปิดการทำงาน (mask bit) ทั้งสองคุณสมบัตินี้มีความจำเป็นในการทำงานจริง เพื่อให้มั่นใจว่าระบบตรวจจับทำงานได้อย่างถูกต้องเชื่อถือได้ รวมทั้งเปิด-ปิดตามต้องการเพื่อการบำรุงรักษาระบบโดยรวมในระยะยาวอีกด้วย
ระหว่างที่ทดสอบไป ฉันเจอบางพิกเซลที่ทำงานได้ไม่ดีนัก พวกนี้มักจะมีพิกเซลที่ตาย หรือไม่ตอบสนองอะไรเลย หรือพิกเซลที่เปิดทำงานตลอดไม่รับรู้การเปิดปิดของบิต หรือแม้แต่บางพิกเซลที่เกือบจะดีแล้วแต่ดันกรองสัญญาณรบกวนออกได้ไม่ดี ทำให้ข้อมูลมีสัญญาณรบกวนสูง (noisy) พวกนี้เราจะบันทึกไว้ในฐานข้อมูลว่าแต่ละชิ้นส่วนมีความบกพร่องมากน้อยเพียงใด ฐานข้อมูลนี้จะใช้ในการพิจารณาอีกทีว่าชิ้นส่วนเหล่านี้ดีพอที่จะนำไปติดตั้งและใช้งานจริง หรือเราควรจะสั่งชุดใหม่มาทดแทนส่วนที่คุณภาพไม่ผ่านคิวซี
  สถานีทดสอบด้วยหัววัด (probe testing station) ภายใน Silicon Detector Facility ของเซิร์น |
ในระยะเวลาของการฝึกงาน ฉันได้เขียนโปรแกรมเพื่อจัดการกับข้อมูลที่ได้จากการทดสอบคุณภาพของพิกเซลเพิ่มลงในระบบฐานข้อมูล โดยนักศึกษาทุกคนจะต้องทำโปสเตอร์งานวิจัยเพื่อนำเสนอผลงานคนละ 15 นาที เมื่อเสร็จสิ้นการฝึกงาน
หลังจากการติดตั้งและทดสอบระบบทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์ เครื่องตรวจจับ CMS จะพร้อมเก็บข้อมูลการทดลองทางฟิสิกส์ในช่วง Run 4 ซึ่งมีกำหนดเริ่มต้นประมาณกลางปี ค.ศ. 2030 ฉันเองก็รอดูอยู่ว่า โครงานที่ฉันได้มีส่วนร่วมด้วยช่วยทำจะมีผลออกมาเป็นอย่างไรนะ
 ภาพโปสเตอร์งานวิจัยของฉัน |
ปิดเทอมฤดูร้อนปีนี้ของฉันผ่านไปไวมาก เพราะ time flies when you’re having fun นักศึกษาฝึกงานทุกคนได้เวลาแยกย้ายกันกลับไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัยของตน ส่วนฉันก็ได้เวลากลับไปทำวิทยานิพนธ์ต่อให้เสร็จเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับก้าวต่อไป
ขอบคุณข้อมูลจาก
- Dr. Jennet Dickinson, Fermilab, PURSUE internship
Zoi on behalf of the CMS Tracker Group 2025 JINST 20 C06030 (Design and construction of the Outer Tracker for the Phase-2 upgrade)
About Author
