ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ทั่วโลกได้ให้ความสนใจเครื่องเร่งอนุภาคมากขึ้น จากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญระดับโลก เช่น การค้นพบอนุภาคฮิกส์โบซอน ซึ่งใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลกในปัจจุบันที่ชื่อว่า LHC (Large Hadron Collider) ขององค์กร CERN ซึ่งอยู่บริเวณใต้ดินระหว่างประเทศสวิสเซอร์แลนด์และฝรั่งเศส ภายในอุโมงค์วงแหวนที่มีขนาดเส้นรอบวงยาวถึง 27 กิโลเมตร นอกจากนี้ยังมีการใช้เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่หลายแห่งทั่วโลกสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การแพทย์ อุตสาหกรรมและด้านอื่นๆ 

หนึ่งในนั้นคือ LCLS (Linac Coherent Light Source) ของหน่วยงาน SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) ที่ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งมีส่วนของเครื่องเร่งอนุภาคเป็นแนวยาวหนึ่งกิโลเมตร สำหรับเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานได้ถึง 15,000 ล้านอิเล็กตรอนโวลด์ การสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เหล่านี้ ต้องใช้ทั้งพื้นที่ขนาดใหญ่และงบในการสร้างมากกว่าหมื่นล้านบาท แทบเป็นไปไม่ได้ที่ประเทศไทยจะมีเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่และทรงพลังในระดับนี้  “เป็นไปได้หรือไม่ที่เราจะสามารถมีเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง ในขนาดที่ กะทัดรัด?” เทคโนโลยี “เครื่องเร่งอนุภาคพลาสมา” (Plasma Accelerator) อาจเป็นความหวังของเรา

 

ภาพตัวอย่างหลอดพลาสมาขนาดความยาว 20 เซนติเมตรที่ใช้ในห้องทดลองของกลุ่มวิจัย Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ในประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งสามารถเร่งพลังงานอิเล็กตรอนได้ถึง 8 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (8 GeV) ที่มาภาพ: https://newscenter.lbl.gov/2019/02/25/laser-drill-sets-a-new-world-record-in-laser-driven-electron-acceleration/

 

เทคโนโลยีเครื่องเร่งอนุภาคพลาสมา อาศัยหลักการคล้ายกับการเล่นกีฬา Wakesurf  ซึ่งนักโต้คลื่นสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ โดยใช้คลื่นที่เกิดด้านหลังเรือที่แล่นด้วยความเร็วสูง ในเทคโนโลยีนี้มีแก๊สเปรียบเสมือนน้ำ โดยแก๊สที่ใช้ เช่น แก๊สไฮโดรเจน ถูกบรรจุภายในหลอดขนาดเล็ก ความยาวไม่เกินนิ้วหัวแม่มือ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเท่ากับเส้นผมเพียงสามถึงสี่เส้น และใช้เลเซอร์พัลส์ความเข้มสูงเป็นเสมือนเรือ เมื่อเลเซอร์พัลส์ถูกส่งเข้าไปในหลอดแก๊ส เลเซอร์จะผลักให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากโมเลกุลของแก๊สกลายเป็น “พลาสมา” ซึ่งก็คือสภาพของแก๊สซึ่งอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระจายตัวแยกออกจากไอออนที่มีประจุบวก และเลเซอร์ยังทำให้พลาสมาในบริเวณด้านหลังมีลักษณะเป็นขบวนคลื่น คล้ายกับขบวนคลื่นน้ำด้านหลังเรือความเร็วสูง ในคลื่นพลาสมาที่เกิดขึ้นจะมีไอออนกระจายอยู่บริเวณท้องคลื่น ส่วนอิเล็กตรอนกระจายอยู่บริเวณสันคลื่น ถ้าคลื่นของพลาสมาที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่พอ อิเล็กตรอนจะถูกคลื่นพลาสมาผลักให้เคลื่อนที่เร็วขึ้นตามเลเซอร์ไป เช่นเดียวกับนักโต้คลื่นที่ถูกสันคลื่นที่ผลักให้เคลื่อนที่เร็วขึ้น

 

กลุ่มวิจัยทั่วโลกค้นพบว่าเครื่องเร่งอนุภาคพลาสมานี้ สามารถเร่งอนุภาคได้ดีกว่าเทคโนโลยีการเร่งอนุภาคในปัจจุบันมากกว่าพันเท่า หากเทคโนโลยีนี้ถูกวิจัยและพัฒนาไปได้จนสมบูรณ์ เราอาจมีเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังเทียบเท่ากับ LCLS ที่ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยมีความยาวประมาณหนึ่งไม้บรรทัดก็เป็นได้

 

เรียบเรียงโดย

ดร. ฐกลวรรธน์ จันทร์วัฒนะ นักฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาค

 

เพิ่มเติม:

https://cerncourier.com/a/bella-sets-new-record-for-plasma-acceleration/

https://newscenter.lbl.gov/2019/02/25/laser-drill-sets-a-new-world-record-in-laser-driven-electron-acceleration/

<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/ilFrDBZXJTk" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>