2 ผู้แยกอะตอมชักนำโลกสู่เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

อ. สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. 2 ผู้แยกอะตอมชักนำโลกสู่เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

สถานีตรวจวัดอนุภาค CMS ของ CERN

       ปี 1932 เป็นปีทองของวงการนักฟิสิกส์อะตอม เพราะในเดือนมีนาคมของปีนั้น James Chadwick แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge พบอนุภาคนิวตรอน ด้าน Carl Anderson แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkley ก็พบ positron ซึ่งเป็นอนุภาคที่ตรงข้ามกับอิเล็กตรอน เพราะมีประจุบวก แต่มีมวลเท่ากัน และที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish แห่ง Cambridge หลังจากที่ Chadwick พบนิวตรอนเพียง 3 สัปดาห์ John Cockcroft กับ Ernest Walton ก็ประสบความสำเร็จในการยิงอนุภาคโปรตอนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังให้พุ่งชนนิวเคลียสของ lithium ทำให้ได้อนุภาคแอลฟา 2 อนุภาค และมีพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยา ตามสมการ


7Li3 + 1H1 —> 2 4He2 + (14.3 +/- 2.7)MeV

ซึ่งการทดลองนี้เป็นการทดลองแรกของโลกที่ยืนยันว่า สมการ E=mc2 ของ Einstein ถูกต้องทุกประการ

การทดลองของ Cockcroft และ Walton ในครั้งนั้น ยังแสดงให้เห็นอีกว่า แม้แรงที่นิวเคลียสของ lithium ซึ่งมีประจุบวก จะผลักโปรตอนซึ่งมีประจุบวกเช่นกันด้วยแรงไฟฟ้าที่มีค่าสูงมาก แต่การเป็นอนุภาคควอนตัมของโปรตอนก็สามารถทำให้มันสามารถทะลุทะลวงผ่านกำแพงศักย์ของนิวเคลียส lithium เข้าไปได้ และรวมตัวกับโปรตอนในนิวเคลียสทำให้ได้อนุภาคแอลฟา 2 อนุภาค

ความสำคัญของการทดลองนี้ได้ชี้ให้เห็นว่า มนุษย์สามารถเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสของธาตุได้เป็นครั้งแรก และความยิ่งใหญ่ของการค้นพบคือ การให้กำเนิดวิชาฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานที่มีพลังงานสูง ผลที่ตามมาคือ Cockcroft และ Walton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1951 ร่วมกัน

John Douglas Cockcroft เกิดเมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม ค.ศ.1897 ที่เมือง Todmorden ในแคว้น Yorkshire ทางเหนือของอังกฤษ บรรพบุรุษของตระกูลนี้ประกอบอาชีพทำโรงงานอุตสาหกรรมทอฝ้าย

ในวัยเด็ก Cockcroft ได้เข้าเรียนที่โรงเรียน Todmordan Secondary School หลังจากที่จบการเรียนระดับมัธยมศึกษา Cockcroft วัย 17 ปีได้ไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Manchester ในสาขาคณิตศาสตร์ เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง Cockcroft ต้องเข้ารับราชการทหาร จึงขอลาพักการเรียนชั่วคราว และได้เข้าประจำการในกองทหารปืนใหญ่ จนกระทั่งสงครามโลกยุติ จึงกลับไปเรียนต่อที่ College of Technology แต่เปลี่ยนไปเรียนวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

ในช่วงเวลาที่เรียน Cockcroft ได้ถูกส่งไปฝึกงานที่โรงงาน Metropolitan Vickers Electrical Company เป็นเวลาสองปี จากนั้นได้ไปเรียนต่อที่ St.John’s College แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge

เมื่ออายุ 27 ปี Cockcroft สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี และทำงานเป็นผู้ช่วยวิจัยของ Lord Ernest Rutherford ซึ่งได้เห็นว่า Cockcroft เป็นคนที่มีประสบการณ์หลากหลาย อีกทั้งมีความสามารถในการทำงานในห้องปฏิบัติการ และมีความรู้ฟิสิกส์ กับคณิตศาสตร์ที่ดีมาก

นอกเหนือจากเหตุผลเหล่านี้แล้ว Rutherford ก็ยังมีอีกเหตุผลส่วนตัวในการรับ Cockcroft เข้าทำงาน นั่นคือ ทั้งสองมีประสบการณ์จากมหาวิทยาลัย Manchester เดียวกัน 

Image # 3. 2 ผู้แยกอะตอมชักนำโลกสู่เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

Ernest Walton

       ขณะทำงานที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish Cockcroft มีเพื่อนร่วมงานคนหนึ่งชื่อ Peter Kapitza (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1978) คนทั้งสองได้พยายามสร้างแท่งแม่เหล็กที่สามารถให้สนามความเข้มสูง ขณะแท่งแม่เหล็กนั้นมีอุณหภูมิต่ำมาก แต่ Cockcroft ไม่รู้สึกตื่นเต้นกับงานนี้จึงเบนความสนใจไปศึกษาผลที่จะเกิดจากการยิงอนุภาคโปรตอนที่มีพลังงานสูงไปชนนิวเคลียสของชาติต่างๆ ปัญหานี้ได้ชักนำให้มีเพื่อนร่วมงานคนใหม่เป็นนิสิตชาวไอริช คือ E.T.S. Walton

ในปี 1932 ทั้งสองได้ประสบความสำเร็จในการแปลงนิวเคลียสของ lithium ให้เป็นอนุภาคแอลฟา โดยใช้โปรตอนพลังงานสูงยิง

ผลที่เกิดตามมาคือ นักฟิสิกส์มีเทคนิคการสร้างธาตุกัมมันตรังสีชนิดใหม่ๆ ที่ไม่มีในธรรมชาติ โดยใช้กระสุนที่เป็นอนุภาค เช่น โปรตอนหรือ deuteron ความสำเร็จนี้ทำให้ Cockcroft ได้รับเลือกเป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Mond Laboratory ที่มหาวิทยาลัย Cambridge

ในปี 1939 Cockcroft ได้ขึ้นครองตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ แต่ช่วงเวลานั้นสงครามโลกครั้งที่สองใกล้จะอุบัติ Cockcroft จึงต้องหวนกลับเข้ารับราชการทหารอีกครั้งหนึ่งในสังกัดหน่วยวิจัยเรดาร์เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่นี้ในการป้องกันประเทศ ทำให้มีโอกาสได้เดินทางไปทำงานในต่างประเทศหลายแห่ง เช่น อเมริกา และแคนาดา

ถึงปี 1941 หลังจากที่สงครามโลกยุติ Cockcroft ได้เดินทางกลับอังกฤษเพื่อทำงานในตำแหน่งผู้อำนวยการศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ที่ Harwell ซึ่งเป็นหน่วยงานวิจัยปรมาณูเพื่อสันติของอังกฤษ

ในปี 1951 Cockcroft และ Walton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกัน ด้วยผลงาน “การแปลงนิวเคลียสโดยการยิงด้วยอนุภาคที่มีพลังงานสูง”

ตลอดชีวิต Cockcroft ได้รับการปริญญากิตติมศักดิ์จากมหาวิทยาลัย 19 แห่ง เป็นนายกสมาคมวิชาการ และสมาชิกของสมาคมฟิสิกส์ในหลายประเทศ

Cockcroft แต่งงานในปี 1925 ครอบครัวมีลูกสาว 4 คนกับลูกชาย 1 คน และเสียชีวิตเมื่อวันที่ 18 กันยายน ปี 1967 สิริอายุ 70 ปี

ด้าน Ernest Thomas Sinton Walton เกิดเมื่อวันที่ 6 ตุลาคม ค.ศ.1903 ที่เมือง Dungarvan ในแคว้น Waterford ที่อยู่ทางใต้ของไอร์แลนด์ เพราะบิดาเป็นนักเทศน์ที่เดินทางบ่อย ดังนั้นเด็กชาย Walton จึงต้องย้ายบ้าน และย้ายโรงเรียนตามบิดาทุก 2-3 ปี สุดแท้แต่บิดาจะถูกส่งตัวไปที่ใด

เมื่ออายุ 12 ปี Walton ได้เข้าโรงเรียนประจำชื่อ Methodist College ที่เมือง Belfast และพบว่า สามารถเรียนคณิตศาสตร์กับวิทยาศาสตร์ได้ดี จนอายุ 19 ปี ก็ได้ไปเรียนต่อที่ Trinity College แห่งเมือง Dublin โดยได้ทุนการศึกษา และเลือกเรียนฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์เป็นวิชาเอก Walton จบปริญญาตรีเมื่ออายุ 23 ปี ด้วยคะแนนเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง อีกหนึ่งปีต่อมาก็ได้ปริญญาโท และได้ทุนวิจัยไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Cambridge เพื่อทำงานภายใต้การดูแลของ Lord Ernest Rutherford จนจบปริญญาเอกเมื่ออายุ 28 ปี แล้วเดินทางกลับไปเป็นอาจารย์ที่ Trinity College ที่เคยเรียน

งานวิจัยระยะแรกของ Walton เป็นงานทางด้านอุทกศาสตร์ แต่เมื่อได้มาทำงานที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish ก็ได้หันมาสนใจการผลิตอนุภาคความเร็วสูงโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคทรงเชิงเส้น (linear accelerator) ที่ใช้ความต่างศักย์สูงเป็นตัวเร่ง ในการทำงานชิ้นนี้ Walton มี J.D. Cockcroft เป็นผู้ร่วมงาน

การทดลองของคนทั้งสองในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่า นิวเคลียสของธาตุเบาหลายชนิดเปลี่ยนชนิดได้ เวลาถูกยิงด้วยโปรตอนที่มีพลังงานสูง

นอกจากงานด้านการวิจัยแล้ว Walton ยังทำงานด้านการบริหารด้วยไม่ว่าจะเป็นวงการวิชาการ การศาสนา หรือการเมือง 

Image # 4. 2 ผู้แยกอะตอมชักนำโลกสู่เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

John Cockcroft

       ในปี 1938 Walton กับ Cockcroft ได้รับเหรียญ Hughes จากสมาคม Royal Society

E.T.S Walton ได้เข้าพิธีสมรสกับ Freda Wilson ในปี 1934 ครอบครัวมีบุตรชาย 2 คน และบุตรสาว 2 คน

Walton เสียชีวิตเมื่อ 25 มิถุนายน 1995 สิริอายุ 91 ปี

ในปาฐกถาที่ Cockcroft นำเสนอเนื่องในโอกาสที่ได้รับรางวัลโนเบล เขาเล่าว่า ในช่วงปลายปี 1928 George Gamow ได้เดินทางไปเยือนสถาบัน Bohr ในกรุง Copenhagen ที่เดนมาร์ก และได้แวะไปเยือน Rutherford ที่ ห้องปฏิบัติการ Cavendish ด้วย ขณะพักอยู่ที่ Cambridge นี่เอง Gamow ได้ให้สัมมนาเรื่อง ทฤษฎีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี โดยการปล่อยอนุภาคแอลฟา โดย Gamow ใช้ทฤษฎีควอนตัมในการอธิบายว่า แม้อนุภาคแอลฟาในนิวเคลียสจะมีพลังงานน้อยกว่ากำแพงศักย์ที่อยู่โดยรอบนิวเคลียส ซึ่งถ้าว่าตามหลักการของกลศาสตร์นิวตัน อนุภาคแอลฟาจะไม่มีวันทะลุกำแพงศักย์ออกมาได้เลย นั่นคือนิวเคลียสจะไม่มีวันปล่อยอนุภาคแอลฟาให้เล็ดรอดออกมาได้ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคแอลฟามีสมบัติคลื่น ดังนั้นเวลาพุ่งกระทบกำแพงศักย์ มันจะมีโอกาสทะลุกำแพงศักย์ออกมาได้ (แม้โอกาสนั้นจะน้อยนิด) เป็นอนุภาคแอลฟาดังที่เห็น

Cockcroft จึงคิดในแนวย้อนกลับว่า ถ้าอนุภาคแอลฟาสามารถเล็ดรอดออกมาจากนิวเคลียสได้จริง อนุภาคอื่นก็คงสามารถทะลุกำแพงศักย์เข้าไปในนิวเคลียสได้เช่นกัน

ผลการคำนวณอย่างหยาบๆ แสดงให้เห็นว่า โปรตอนที่มีพลังงานจลน์เพียง 300 กิโลโวลท์สามารถพุ่งเข้าถึงนิวเคลียสของ boron ได้ แต่ถ้าใช้นิวเคลียสของ lithium เป็นเป้า การทะลุทะลวงก็จะง่ายขึ้นไปอีก ทันทีที่เข้าใจความคิดของ Cockcroft หัวหน้าใหญ่ Rutherford ก็เปิดไฟเขียว ให้ Cockcroft เดินหน้า โดยมี Walton เป็นนักวิจัยผู้ช่วย คนทั้งสองสร้าง multiplier เพื่อเร่งโปรตอนจนมีพลังงานสูง เพื่อยิงไปชนนิวเคลียสของ lithium และความสำเร็จก็บังเกิดขึ้นทันที ดังในรายงานที่ Walton เขียนว่า

ในวันพฤหัสบดีที่ 13 เมษายน ค.ศ.1932 เมื่อโปรตอนถูกเร่งจนมีพลังงานสูงพอสมควร ทั้งสองได้ยิงโปรตอนไปชนอะตอมของ lithium แล้วหันไปดูจอรับอนุภาคที่จะเกิดขึ้นหลังการชนนั้นทันทีก็ได้เห็นแสงวับเกิดขึ้น และเมื่อ Walton ดับเครื่องยิงโปรตอน แสงวับก็หายไป ทั้งสองได้ทดลองซ้ำอีกจนแน่ใจว่าแสงวับเป็นผลิตผลที่เกิดจากการยิงโปรตอน และแสงวับแสดงให้เห็นว่ามีอนุภาคลึกลับมาปะทะจอ

ทั้งสองจึงโทรศัพท์บอก Rutherford เพื่อรายงานสิ่งที่เห็น และ Rutherford ก็ได้เดินทางมาที่ห้องปฏิบัติการทันที เพื่อดูด้วยตา หลังจากที่ Rutherford เสนอให้เพิ่มศักย์ไฟฟ้า เพื่อเพิ่มพลังงานของโปรตอน แสงวับก็ยังปรากฏต่อไป Rutherford จึงทรุดตัวลงนั่ง แล้วบอกว่า แสงวับนั้นเกิดจากอนุภาคแอลฟาที่พุ่งชนจอที่ฉาบด้วย zinc sulfide เพราะ Rutherford เป็นคนที่รู้ธรรมชาติของแอลฟาดีที่สุดในโลก

ทั้งสามจึงประจักษ์ว่า Cockcroft และ Walton ได้ประสบความสำเร็จในการเร่งอนุภาคให้พุ่งชนนิวเคลียสของอะตอมแล้ว แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิด นี่จึงเป็นการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสโดยมนุษย์เป็นครั้งแรก

Cockcroft ถึงกับกระโดดตัวลอย แล้วเดินออกจากห้องปฏิบัติการพร้อมตะโกนบอกเพื่อนๆ ว่า “เราแยกอะตอมได้แล้ว”

การทดลองของคนทั้งสองได้ชักนำให้นักฟิสิกส์ทั่วโลกหันมาสนใจเทคนิค และเทคโนโลยีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงขึ้นๆ เพื่อศึกษาธรรมชาติของนิวเคลียส และแรงต่างๆ ในธรรมชาติ บัดนี้เรามีเครื่องเร่ง LHC ที่ CERN และที่จีน ในปี 2028 ก็จะมีโรงงานผลิตอนุภาค Higgs ซึ่งจะเป็นวงกลมที่มีเส้นรอบวงยาว 52 กิโลเมตร และฝังอยู่ใต้ดิน จึงมีรัศมียาวประมาณ 2 เท่าของ LHC เพื่อเร่งอิเล็กตรอน และโพสิตรอนให้ชนกัน จีนหวังว่าอุปกรณ์นี้จะศึกษาสมบัติของอนุภาค Higgs ได้ดีกว่าที่ CERN มาก และงานขั้นต่อไป คือ เร่งโปรตอนให้พุ่งชนโปรตอนภายในเครื่องเร่งเดียวกันนี้ในปี 2035 เพื่อวิเคราะห์ว่า Higgs เป็นอนุภาคมูลฐาน (คือมิได้ประกอบด้วยอนุภาคอื่นใดที่เล็กกว่า) หรือเป็นอนุภาคพิเศษที่ไม่มีใครรู้จักมาก่อน

การใช้ Supercollider ทั้งหลายในอนาคตเป็นผลิตผลที่เกิดตามมาจากการศึกษาของ Cockcroft และ Walton