You are currently viewing การศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคและพลังงานสูงด้วยหัววัด Belle II

การศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคและพลังงานสูงด้วยหัววัด Belle II

การวิจัยที่ศูนย์วิจัย High Energy Accelerator Research Organization (KEK) ประเทศญี่ปุ่น จะเน้นไปที่ Flavor Physics และ CP Violation ซึ่งเป็นตัวแปรที่สำคัญในการทดสอบความถูกต้องของ Standard Model และอาจจะเป็นกุญแจสำคัญที่นำไปสู่การค้นพบ new physics ผลที่ได้จากงานวิจัยนี้อาจยังบอกไม่ได้ว่าเป็นประโยชน์สำหรับคนทั่วไปอย่างไร การวิจัยฟิสิกส์ในส่วนของความรู้พื้นฐานเป็นเรื่องที่มักไกลตัวคนทั่วไปเสมอ ความรู้ที่ได้ส่วนใหญ่ไม่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในเวลาอันใกล้ เช่น เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลายที่เราใช้ในปัจจุบันล้วนเป็นผลมาจากความเข้าใจในทฤษฎีควอนตัมที่นักฟิสิกส์พัฒนาขึ้นมาเมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว งานวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคก็ไม่ต่างกัน ความรู้ที่เราค้นพบในปัจจุบันอาจจะยังไม่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันได้โดยตรง แต่กระบวนการในการแสวงหาความรู้ดังกล่าวนำไปสู่เทคโนโลยีมากมายที่เราใช้ในปัจจุบันเช่น อินเทอร์เน็ต เครื่อง MRI และ เครื่องสแกน PET เป็นต้น

ฟิสิกส์อนุภาคเป็นการศึกษาอนุภาคพื้นฐาน แบบจำลองทางฟิสิกส์อนุภาคใช้ทำนายได้ว่าอนุภาคแต่ละชนิดจะมีปฏิสัมพันธ์ต่อกันอย่างไร โดยข้อมูลที่จำเป็นสำหรับแบบจำลองนี้คือมวลของอนุภาคและแรงที่อนุภาคกระทำต่อกัน วิธีหลักในการหาค่าเหล่านี้คือการวัดการสลายตัวของอนุภาค และการนำอนุภาคมาชนกัน แล้วศึกษาอนุภาคที่เกิดขี้นจากการชน แต่การศึกษาการสลายตัวของอนุภาคที่มีอยู่ในธรรมชาติก็มีข้อจำกัดในตัวเองโดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่จะทำการศึกษาได้ ในการศึกษาอนุภาคด้วยการชนกันมีความซับซ้อนสูงหากเราศึกษาการชนกันที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (เช่นในรังสีคอสมิก) เราต้องคำนึงถึงตัวแปรจำนวนมากที่เราไม่สามารถควบคุมได้โดยตรง เพื่อลดความยุ่งยากในส่วนนี้เราจึงสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขึ้นเพื่อศึกษาการชนกันของอนุภาคซึ่งช่วยให้เราสามารถควบคุมตัวแปรที่สำคัญในการชนได้ เช่นพลังงานของการชนและชนิดของอนุภาคที่มาชนกัน นอกจากนี้ข้อดีอีกอย่างของการใช้เครื่องเร่งอนุภาคคือเราสามารถสร้างอนุภาคที่ไม่เสถียร (ซึ่งอาจจะไม่มีอยู่เลยตามธรรมชาติ) ขึ้นมาเพื่อศึกษาสมบัติของมันได้ เช่น อนุภาคฮิกส์โบซอน [1,2]

การนำอนุภาคมาชนกันในห้องแลปทำกันมาเป็น 100 ปีแล้วตั้งแต่สมัยลอร์ดเออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด การทดลองที่เราสามารถควบคุมตัวแปรส่วนใหญ่ได้เองช่วยลดความยุ่งยากในการวิเคราะห์ข้อมูล การใช้เครื่องเร่งอนุภาคในการทดลองเกิดขึ้นช่วงปี ค.ศ.1930 พลังงานของอนุภาคในการชนกันเป็นตัวบอกว่าเราสามารถศึกษาดูอะไรได้บ้าง เราต้องการใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อให้ได้พลังงานในการชนที่มากขึ้น เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลกในปัจจุบันคือ LHC ณ ศูนย์วิจัย CERN ของสหภาพยุโรป ซึ่งให้พลังงานในการชน 14 TeV อย่างไรก็ดีเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่มีความซับซ้อนสูงและต้องใช้เวลาในการออกแบบและการสร้างนานมากกว่า 10 ปี [3]

เราได้เห็นแล้วว่าการวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาคด้านการทดลอง ใช้ทรัพยากรสูงรวมถึงทรัพยากรบุคคล การสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเป็นการลงทุนสูง ใช้เวลาหลายปีและยังต้องมีเทคโนโลยีสูงซึ่งยากที่จะทำได้ในประเทศไทย การที่ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์  ได้ตกลงความร่วมมือกับศูนย์วิจัยแห่งชาติ KEK เป็นโอกาสอันดีที่เราจะได้มีส่วนร่วมในการวิจัยด้านฟิสิกส์อนุภาค ทางมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ได้เข้าไปมีส่วนร่วมในการดูแลและพัฒนาส่วนหนึ่งของเครื่องวัดที่เรียกว่า Central Drift Chamber (CDC)

รูปที่ 1 แผนภาพของเครื่องเร่งอนุภาค SuperKEKB ของศูนย์วิจัยแห่งชาติ KEK ขนาดของเส้นรอบวงคือ 3,016 เมตรต่อวง  (ที่มาภาพ: https://www.belle2.org/)

เครื่องเร่งอนุภาคประจำสถานีทดลอง SuperKEKB (รูปที่ 1) ซึ่งใช้เร่งอนุภาคอิเล็กตรอนและอนุภาคโปซิตรอน ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน จนมีความเร็วเกือบเท่าความเร็วของแสง แล้วบีบบังคับให้มาชนกันเพื่อสร้างคู่อนุภาคและปฏิอนุภาค โดยมีระดับพลังงานที่ใช้เป็นระดับที่เน้นการสร้างคู่อนุภาคบีมีซอน (B meson and anti-B meson pairs) เป็นหลัก ซึ่งภายในเวลาอันสั้นก็จะสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นๆ ซึ่งอนุภาคที่เกิดขึ้นจะถูกวัดว่าเป็นอะไรและมีค่าโมเมนตัมเท่าไร ด้วยระบบหัววัดขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Belle II Detector โดยการทดลองที่นี่ต่างจากที่อื่นคือการเน้นจำนวนข้อมูลโดยเฉพาะ เนื่องจากปฏิกิริยาที่สนใจวัดเกิดขึ้นน้อยมากจึงต้องใช้ข้อมูลจำนวนมากเพื่อให้ค่าที่วัดได้มีความน่าเชื่อถือทางสถิติ  โดย SuperKEKB มีความเข้มของลำอนุภาคสูงมากและยังสามารถบีบลำอิเล็กตรอนและโปซิตรอนให้เล็กมาก เป้าหมายความเข้มของลำอนุภาคคือ 8×1035 cm–2 s–1  และยังทำการเก็บข้อมูลเป็นเวลา 10 ปี เป้าหมายคือเก็บข้อมูลการชนกันให้ได้ 50 ab–1 ในการทดลองการชนกันของอนุภาคนอกจากเครื่องเร่งแล้วอีกส่วนที่สำคัญคือหัววัด

รูปที่ 2 แผนภาพของหัววัด Belle II Detector ซึ่งหนักประมาณ 1,400 ตัน (ที่มาภาพ: http://neurotrigger.org/)

Belle II Detector เป็นหัววัดที่ออกแบบมาเพื่อแทนที่หัววัด Belle Detector เพื่อรองรับความเข้มของลำอนุภาคที่เพิ่มขึ้น 40 เท่า ประกอบด้วยเครื่องวัดย่อยๆ หลายส่วนเพื่อทำหน้าที่เฉพาะต่างๆ [4,5] ประกอบด้วย

  • Pixel Detector (PXD) และ Silicon Vertex Detector (SVD) ใช้หาตำแหน่งที่บีมีซอนสลายตัว
  • Central Drift Chamber (CDC) ใช้หาโมเมนตัมของอนุภาคที่มีประจุ
  • Aerogel Ring Imaging Cherenkov Counter (ARICH) ใช้บอกชนิดของอนุภาค
  • Barrel Particle Identification Detector (TOP) ใช้บอกชนิดของอนุภาค
  • Electromagnetic Calorimeter (ECL) ใช้วัดอนุภาคโฟตอน และวัดอนุภาคเคออน (K0L) ร่วมกับ
  • KLM K0L and Muon Detector (KLM) ใช้วัดอนุภาคเคออน (K0L) และวัดอนุภาคมิวออน

เครื่องวัด CDC ที่เราได้เข้าเป็นส่วนร่วมนั้นเป็นเครื่องวัดเส้นทางที่อนุภาคที่มีประจุวิ่งผ่าน CDCคล้ายกล่องที่มีลวดจำนวนมากขึงอยู่ข้างใน ภายใน CDC มีแก๊สอีเทนและฮีเลียมบรรจุอยู่อย่างละครึ่ง ลวดจะเรียงกันเป็นยูนิตเล็กๆ ประกอบด้วย 1 sense wire และ 8 field wires ลวด 2 ชนิดนี้จะมีความต่างศักย์ต่างกัน โดย sense wire จะมีศักย์เป็นบวก เมื่ออนุภาคที่มีประจุวิ่งผ่าน CDC จะเกิดการไอออไนเซชันตามเส้นทางที่อนุภาควิ่ง อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยัง sense wire จากเวลาที่เราวัดสัญญาณที่เข้ามาจาก sense wire ต่างๆ เราสามารถสร้างทางที่อนุภาควิ่งผ่านได้ CDC อยู่ในสนามแม่เหล็กทำให้เส้นทางของอนุภาคที่มีประจุเป็นเส้นโค้ง เมื่อเรารู้ว่าเป็นอนุภาคอะไรเราจะสามารถคำนวณโมเมนตัมได้

รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างการจัดเรียงลวด: sense wire สีแดง และ field wire สีดำ

เนื่องจากระบบหัววัดที่ซับซ้อนของ Belle II การสอบเทียบหัววัดทั้งหมดจึงยังไม่เสร็จสมบูรณ์ โดยตอนนี้การใช้ข้อมูลของเครื่องวัดต่างๆ ร่วมกันทำให้ได้ข้อมูลดีขึ้น แต่ก็ทำให้ต้องมีการสอบเทียบเพิ่มเติมและทำให้พบปัญหาเพิ่มในส่วนของซอฟต์แวร์ ตอนนี้เก็บข้อมูลแบบใช้ระบบหัววัดทั้งหมดมาได้เกือบ 1 ปี ได้มีการเผยแพร่ผลการศึกษาทางฟิสิกส์แบบเอกสารตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ (paper) 1 เรื่องเกี่ยวกับการค้นหา Z’ boson [6] และเผยแพร่ผลการศึกษาทางฟิสิกส์เบื้องต้น (preliminary result) และรายงานในเรื่องหัววัดในแบบเอกสารตีพิมพ์ในการประชุม (proceeding) รวมมากกว่าหนึ่งร้อยเรื่อง [7]

 

เอกสารอ้างอิง

  1. ATLAS Collaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys. Lett. B 716: 29 (2012).
  2. CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716: 31 (2012).
  3. http://timeline-fr.web.cern.ch/timelines/The-Large-Hadron-Collider
  4. S. Hashimoto et al., editors, Letter of Intent for KEK Super B Factory (Part-II, Detector), KEK Report 04-4 (2004).
  5. T. Abe et al., The Belle II Technical Design Report, KEK Report 2010-1 (2010).
  6. I. Adachi et al. (Belle II Collaboration), Search for an Invisibly Decaying Z′ boson at Belle II in e+e µ+µ(e±µ ±) Plus Missing Energy Final States, Phys. Rev. Lett. 124, 141801 (2020)
  7. https://docs.belle2.org/

 

รายงานโดย

ผศ. ดร. เขม จิรภัทรพิมล

ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่ – 50200

E-mail: khem@cmu.ac.th

แชร์เลย :