การศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคและพลังงานสูงด้วยหัววัด Belle II

22 พฤษภาคม 2563

 

       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 8x1035 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