ข่าวโครงการวิจัยปฏิสสาร ตอน1

กลไกธรรมชาติใดที่ทำให้ปฏิสสารหายไปจนแทบไม่มีปฏิสสารเหลือเลยในเอกภพยุคหลัง

      วิธีที่จะตอบคำถามนี้ นำไปสู่พัฒนาการในเชิงทฤษฏีและการทดลอง ทางหนึ่งของการทดลองคือการสร้างและกักเก็บปฏิสสาร และเรียนรู้สมบัติต่างๆจากปฏิสสารโดยตรง แอนติอะตอมที่ไม่ซับซ้อนมากนักคือแอนติไฮโดรเจน ในช่วงแรกๆของวิจัย นักวิทยาศาสตร์จะพยายามคิดค้นเทคนิคในการสร้างและกักเก็บแอนติไฮโดรเจนไว้ ความท้าทายจะอยู่ที่ว่า พวกเขาจะทำอย่างไรเพื่อที่จะสร้างแอนติไฮโดรเจนให้มีจำนวนที่มากพอ และเก็บไว้ได้นานพอที่จะนำพวกมันไปทดลอง การทดลองเกี่ยวกับแอนติไฮโดรเจนจะมีประเด็นที่น่าสนใจคือ พฤติกรรมของแอนติไฮโดรเจนจะเป็นไปตามกฏฟิสิกส์เดี่ยวกันกับไฮโดรเจนหรือไม่
     วันที่ 17 พฤษจิกายน 2010 ทีมวิจัย ALPHA ซึ่งเป็นทีมวิจัยหนึ่งที่ CERN เพื่อการวิจัย Antiproton Decelerator (หรือ AD) เพื่อศึกษาปฏิสสาร ได้ตีพิมพ์รายงานลงใน CERN Press Release และวารสารตีพิมพ์ Nature physic ว่าทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างและกักเก็บแอนติไฮโดรเจน และมีข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการสร้างและการกักเก็บแอนติไฮโดรเจนตีพิมพ์ลงในหนังสือ CERN COURIER ฉบับ Volume 51 Number 2 ประจำเดือนมีนาคม ปี 2011

ต่อไปนี้จะเป็นการอธิบายวิธีการสร้างและกักเก็บแอนติไฮโดรเจนอย่างสรุป ซึ่งเรียบเรียงจากหนังสือ CERN COURIER ฉบับ Volume 51 Number 2 ประจำเดือนมีนาคม ปี 2011

      การะบวนการสร้างไฮโดรเจนจะเริ่มจาก การนำลำอนุภาคแอนติโปรตอนจากเครื่องชะลอความเร็วของแอนติโปรตอน (CERN's antiproton decelerator หรือ AD) ส่วนลำอนุภาคโพสิตรอนจะนำมาจาก ²²Na positon emitter การรวมปฏิอนุภาคทั้งสองเพื่อสร้างแอนติไฮโดรเจน และกักเก็บแอนติไฮโดรเจน จะทำใน Penning trap ซึ่งเป็นส่วนประกอบของ เครื่องมือหลักของศูนย์วิจัยอัลฟา หรือ ALPHA central apparatus

      ถ้าหากเราเก็บปฏิอนุภาคไว้ในภาชนะปกติ ปฏิอนุภาคจะเคลื่อนที่ชนกับผนังของภาชนะและเกิดการประลัย (Annihilation) กันกับอนุภาคที่ผนังภาชนะ ยิ่งอนุภาคมีอุณหภูมิสูงพวกมันจะเคลื่อนที่เร็ว โอกาสที่จะเคลื่อนที่ไปชนกับผนังภาชนะก็ยิ่งมาก ทำให้ปฏิอนุภาคหายไปอย่างรวดเร็วมาก เพื่อที่จะเก็บปฏิอนุภาคให้ได้นานขึ้น นักวิทยาศาสตร์ต้องสร้างภาชนะหรือเครื่องมือพิเศษที่กักเก็บปฏิอนุภาคไว้โดยใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ทีมวิจัย AlPHA จึงต้องมีเครื่องมือกักเก็บชื่อว่า Penning traps สำหรับกักเก็บปฏิอนุภาค

รูปแสดงส่วนประกอบต่างๆของอุปกรณ์การวิจัยของทีมวิจัย ALPHA

      เราอาจจะจินตนาการว่า Penning traps เป็นภาชนะทรงกระบอกสุญญากาศปลายเปิดสองด้าน ลำแอนติโปรตอนและลำของโพสิตรอนจะเข้าสู่ Penning traps จากปลายทรงกระบอกคนละด้าน และถูกกักให้อยู่ตำแหน่งคนละตำแหน่งของแนวแกนของทรงกระบอกโดยใช้ศักย์ไฟฟ้า แม้ว่าจะกักปฏิอนุภาคไม่ให้เคลื่อนที่ตามแนวแกนได้แล้วแต่ปฏิอนุภาคยังเคลื่อนที่ตามแนวรัศมีไปชนกับผนังของทรงกระบอกได้ เพื่อป้องกันไม่ให้ปฏิอนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวรัศมี ใน Penning traps จะมีสนามแม่เหล็กความเข็มสูงจากลวดโซเลนอย์ดด้วย และสนามแม่เหล็กนี้จะกักไม่ให้ปฏิอนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวรัศมี

รูปแสดงวิธีการกักพลาสม่าของแอนติโปรตอนและพลาสม่าของโพสิตรอนใน Penning Traps

คำที่ว่า กัก นี้ พูดเพื่อความง่ายไม่ได้หมายความว่าปฏิอนุภาคจะหยุดการเคลื่อนที่ ควรจะพูดว่าปฏิอนุภาคทั้งสองจะเป็นพลาสม่า (มองว่าเป็นหมอกปฏิอนุภาคก็ได้) ซึ่งถูกจำกัดการเคลื่อนที่ด้วยศักย์ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก หมอกแอนติโปรตอนจะเคลื่อนที่ได้บริเวณจำกัดบริเวณหนึ่ง ส่วนหมอกโพสิตรอนจะถูกจำกัดให้อยู่อีกบริเวณหนึ่ง พลาสม่าของโพสิตรอนจะยังมีพลังงานสูง พลังงานของโพสิตรอนจะลดลงใน Penning traps โดยสนามแม่เหล็กและกระบวนการ Evaporative cooling (เข้าใจว่า พลาสม่าแอนติโปรตอนมีพลังงานต่ำแล้ว เพราะนำมาจากเครื่อง Antiproton decelerator) จนพลังงานของโพสิตรอนลดลงเหลือประมาณ 40 เคลวิน* แอนติโปรตอนจะถูกลากเข้ามารวมกันโพสิตรอนที่พลังงานต่ำนี้ แอนติไฮโดรเจนจะมีพลังงานไม่เกิน 0.5 เคลวิน เกิดขึ้นเป็นส่วนน้อย

รูปแสดงการกักอะตอมของแอนติไฮโดรเจน โดยใช้สนามแม่เหล็ก ในรูปแสดงให้เห็นว่า จะใช้แม่เหล็กล้อมแอนติไฮโดรเจนไว้ด้วยแม่เหล็ก 8 แท่ง (แทนสนามแม่เหล็กจาก Octupole) รวมทั้งด้านหัวด้านท้ายด้วยแม่เหล็กอีก 2 แท่ง (แทนสนามแม่เหล็กจาก Mirror Coil ทั้งสอง)

      การสร้างแอนติไฮโดรเจนที่ ALPHA จะใช้แอนติโปรตอนประมาณสามหมื่นอนุภาค และใช้โพสิตรอนราวๆสองล้านอนุภาค เนื่องจากแอนติไฮโดรเจนเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงไม่สามารถกักแอนติไฮโดรเจนนี้ด้วยศักย์ไฟฟ้าได้ การกักขังแอนติไฮโดรเจนทำโดยแรงอ่อนๆ อันเนื่องจากแม่เหล็กสองขั้วของแอนติอะตอมในสนามแม่เหล็ก เครื่อง Penning traps จะมีสนามแม่เหล็กเพื่อการกักเก็บแอนติไฮโดรเจนจาก 8 ขั้ว หรือ Octupole รอบผนังของภาชนะ ยังมีสนามแม่เหล็กจาก Miror coils ปิดหัวปิดท้าย อุปกรณ์สร้างสนามแม่เหล็กที่กล่าวมาจะสามารถกักแอนติไฮโดรเจนที่มีพลังงานไม่เกิน 0.7 เคลวิน

*หมายเหตุ พลังงานของอนุภาคในวิชาฟิสิกส์อนุภาคจะนิยมใช้หน่วยเป็น อิเล็กตรอนโวลต์ แต่ในบางครั้งก็มีการใช้หน่วย เคลวิน ด้วย จริงๆแล้วหน่วยเคววินเป็นหน่วยของอุณหภูมิ ดังนั้นจากคำว่า (ตัวอย่างเช่น) อนุภาคมีพลังงาน 40 เคลวิน จะหมายความว่า อนุภาคมีพลังงานในปริมาณที่สอดคล้องกับอุณหภูมิ 40 เคลวิน

อ้างอิงจาก http://www.vcharkarn.com/varticle/43012