ซิงโครตรอน Synchrotron

เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอนมีความจำกัดในด้านขนาด การจะได้อนุภาคพลังงานสูงต้องใช้ไซโคลตรอนที่มีรัศมีมาก และต้องใช้แม่เหล็กที่มีปริมาตรมากขึ้นด้วย ดังนั้นราคาการสร้างจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว พลังงานที่ได้จากไซโคลตรอนจึงจำกัดอยู่ที่ราว 500 MeV ในปัจจุบัน

ส่วนต่างๆ ของซิงโครตรอน
credit: Encyclopedia Britannica

ภายในซิงโครตรอนนั้น จะมีอนุภาควิ่งเป็นวงโค้งคล้ายๆกับในไซโคลตรอน ด้วยการใช้แม่เหล็กจำนวนมากซึ่งวางอยู่เป็นระยะๆ ตลอดแนวเครื่องเร่ง มาสร้างแรงแม่เหล็ก F = q v B ให้แก่อนุภาค โดยหลักๆแล้วจะมีแม่เหล็กแบบสองขั้ว (dipole) ใช้ในการปรับทิศทาง และ แบบสี่ขั้ว (quadrupole) สำหรับบีบ (focus) ลำอนุภาค

รัศมีความโค้ง (radius of curvature) ของอนุภาคในซิงโครตรอนจะมีค่าคงที่ เพราะว่าสนามแม่เหล็กของซิงโครตรอน จะถูกปรับให้เพิ่มตามพลังงานของอนุภาคที่เพิ่มขึ้น ซิงโครตรอนจึงมีรูปร่างคล้ายโดนัท ที่ตรงกลางเป็นที่ว่าง ในขณะที่ไซโคลตรอนจะเป็นกล่องกลวงรูปครึ่งวงกลม (Dee) สองอันวางต่อกัน

ซิงโครตรอนมักจะไม่ทำงานโดยตัวเองเครื่องเดียว แต่มักจะรับอนุภาคพลังงานสูงที่ถูกป้อนมาจากเครื่องเร่งอนุภาคชนิดอื่นเช่น Cockcroft-Walton, Van de Graaff, หรือ เครื่องเร่งแบบตรง (Linac)

อนุภาคจะถูกเพิ่มพลังงานด้วยสนามไฟฟ้าในขณะที่วิ่งผ่านช่อง radio-frequency (RF) cavity ซึ่งจะวางอยู่ที่ในตำแหน่งหนึ่งของซิงโครตรอน เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าวิ่งเป็นวงโค้งมันจะเสียพลังงานในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานที่ได้รับจาก RF cavity นี้จะช่วยชดเชยพลังงานที่เสียไปนี้

เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่สามารถทำให้อนุภาคมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง (c = 3x10⁸ m/s) ซึ่งจะทำให้มีพลังงานรวมเท่ากับ
E = sqrt(p² c² + m² c⁴)
โดยที่ p คือโมเมนตัม และ m คือมวลของอนุภาค

เครื่องซิงโครตรอนเครื่องแรกที่ใช้เร่งโปรตอน ถูกสร้างขึ้นในปีค.ศ. 1952 มีชื่อว่า คอสโมตรอน (Cosmotron) โดยตั้งขึ้นที่ Brookhaven National Laboratory (BNL) รัศมีโดยเฉลี่ยของเครื่องมีค่า 10 เมตร และสามารถเร่งโปรตอนได้ถึง 3 GeV

สองปีถัดมา ซิงโครตรอนอีกเครื่องหนึ่ง ชื่อ Bevatron (สมัยก่อน GeV ใช้คำว่า BeV = billion eV) ก็ได้ถูกสร้างขึ้นที่เบิร์กลีย์ โดยมีรัศมีราว 18.2 เมตร ณ ที่นี่เองที่ antiproton (1955) และ antineutron (1956) ได้ถูกค้นพบ

เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) เป็นเครื่องซิงโครตรอนที่ใหญ่ที่สุดในโลกในขณะนี้ (2007) ด้วยเส้นรอบวงถึง 27 กม. LHC จะสามารถเร่งโปรตอนได้จนถึง 7 TeV ซึ่งจะสร้างพลังงานในการชนกันสูงถึง 14 TeV นอกจากนี้ยังสามารถเร่งไอออนชนิดอื่นๆได้อีก (โปรตอนจะถูกเร่งได้ง่ายที่สุด เพราะมีมวลน้อยที่สุด) โดยตัวที่สำคัญคือตะกั่ว (Pb) โดย LHC จะสร้างพลังงานได้ถึง 5.5 TeV ต่อคู่นิวคลีออนของตะกั่ว ซึ่งพลังงานที่สูงขนาดนี้ สามารถที่จะสร้างให้เกิดอนุภาคชนิดต่างๆ ออกมามหาศาล อีกไม่นานหลังจากการเดินเครื่อง เราก็จะได้นำข้อมูลต่างๆจากการทดลองในเครื่องซิงโครตรอนพลังงานสูง เช่น LHC และ อื่นๆ เหล่านี้ มาศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคพื้นฐานเช่น ควาร์ก (quarks) เลปตอน (leptons) และอื่นๆ

ห้องควบคุมเครื่องเบวาตรอน (Bevatron) credit: LBL	วิศวกรของ LHC กับแม่เหล็ก credit: BBC News
แนวเครื่อง LHC บนชายแดนของฝรั่งเศส และสวิสเซอร์แลนด์ credit: CMS

ดร. รพพน พิชา
TINT