เฟอเรทเร่งอนุภาค

On April 12, 2019

คอลัมน์ : ร้ายสาระ

ผู้เขียน : ศิลป์ อิศเรศ

(โลกวันนี้วันสุข ประจำวันที่ 12 – 19 เมษายน 2562)

เงิน 250 ล้านดอลลาร์กับเวลาอีก 5 ปีในการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคอาจต้องสูญเปล่า เพราะมีสิ่งแปลกปลอมปนเปื้อนอยู่ในท่อส่งความยาว 4 ไมล์ หากไม่ได้ความช่วยเหลือจากสัตว์ตัวเล็กๆที่ชื่อ “เฟอเรท”

เดือนกุมภาพันธ์ 1971 นักวิทยาศาสตร์ศูนย์วิจัย National Accelerator Laboratory (NAL) เมืองแบเทเวีย รัฐอิลลินอยส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา เตรียมพร้อมทดลองเดินเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลก 200 Billion Electron Volt (BeV) ใช้งบประมาณ 250 ล้านดอลลาร์ และเวลาในการก่อสร้าง 5 ปี

ปัจจุบัน NAL เปลี่ยนชื่อเป็นแฟร์มีแล็บ (Fermilab) เพื่อเป็นเกียรติกับเอนริโก แฟร์มี นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียน ผู้ค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ทำการทดลองเร่งอนุภาคด้วยกระบวนการกระตุ้นเป็นลูกโซ่ โดยใช้เครื่อง linear accelerator (linac) ยิงอนุภาคโปรตอน จากนั้นเครื่อง booster จะเร่งอนุภาคให้เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วสูง

เครื่อง recycler ทำหน้าที่รวบรวมโปรตอนให้จับกันเป็นกลุ่มก้อนเพื่อให้มีความเข้มข้น ก่อนที่ injector ring จะบีบอัดอนุภาคลงหลายหมื่นเท่าตัว ทำให้อนุภาคโปรตอนเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเทียบเท่าความเร็วแสง การทดลองนี้เป็นส่วนหนึ่งของการไขความลับจักรวาล ต้นกำเนิดมวลสาร พลังงาน และกาลอวกาศ

อภิมหาห้องทดลอง

สมัยที่สร้างห้องทดลอง NAL นั้นยังไม่มีเครื่อง recycler และเครื่อง injector ring สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทำก็คือสร้างท่อส่งอนุภาคความยาว 4 ไมล์ เพื่อให้โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านตัวเร่งซึ่งประกอบด้วยแม่เหล็กชนิด dipole 774 ตัว ทำหน้าที่บังคับทิศทางอนุภาค และแม่เหล็กชนิด quadrupole 240 ตัว ทำหน้าที่รวบรวมอนุภาคให้อยู่เป็นกลุ่มก้อน

แม่เหล็กที่ใช้มีความยาว 20 ฟุต น้ำหนักรวมกันกว่า 13 ตัน ในการทดลองครั้งแรกเกิดปัญหาฉนวนใยแก้วของแม่เหล็ก 2 ตัวฉีกขาด ทำให้ต้องหยุดการทดลองเพื่อเปลี่ยนแม่เหล็กตัวใหม่ แต่ปัญหาเดิมก็ยังคงเกิดขึ้น ตลอดระยะเวลาหลายเดือนของการทดลองนักวิทยาศาสตร์ต้องเปลี่ยนแม่เหล็กมากกว่า 350 ตัว

ในที่สุดวันที่ 30 มิถุนายน 1971 นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถส่งอนุภาคโปรตอนให้เคลื่อนที่รอบท่อส่งได้สำเร็จเป็นครั้งแรก เมื่อถึงเดือนสิงหาคมก็สามารถทำให้อนุภาคโปรตอนวิ่งเคลื่อนที่ผ่านท่อส่งได้ 10,000 รอบ แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์พยายามเร่งความเร็วอนุภาคให้ถึงระดับ 7 Bev แม่เหล็กหลายตัวเกิดไม่ทำงานเสียเฉยๆ

หลังจากตรวจสอบท่อส่งอนุภาคอย่างละเอียดก็พบว่าเศษโลหะเงินที่เกิดจากการก่อสร้างท่อส่งอนุภาคมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กที่เข้มข้น มันถูกสนามแม่เหล็กดูดเข้าหาจึงไปปิดกั้นทางเดินของอนุภาคโปรตอน หากกำจัดเศษโลหะเงินเหล่านี้ออกจากท่อส่งได้ปัญหาก็จะหมดไป เพียงแต่ว่าจะทำได้อย่างไร?

นางเอกมาช่วย

ท่อส่งอนุภาคมีขนาดเล็กและยาวถึง 4 ไมล์ การจะทำความสะอาดจึงไม่ใช่เรื่องง่าย โรเบิร์ต เชลดอน วิศวกรชาวอังกฤษ แนะนำให้ใช้ตัวเฟอเรทผูกติดอุปกรณ์ทำความสะอาดส่งมันเข้าไปในท่อ ตัวเฟอเรทจะวิ่งไปตามท่อจากปลายข้างหนึ่งออกไปยังปลายอีกข้างหนึ่งตามสัญชาตญาณ

นายพรานชาวอังกฤษนิยมใช้ตัวเฟอเรทไล่เหยื่อเช่นกระต่ายให้ออกจากโพรง ท่อส่งอนุภาคมีลักษณะคล้ายโพรงกระต่าย คงไม่ยากที่จะให้ตัวเฟอเรทวิ่งไปในท่อส่งอนุภาค เพียงแต่มันเป็นโพรงที่มีความยาวมากกว่าทุกโพรงที่ตัวเฟอเรทเคยเข้าไป

ไม่กี่วันต่อมานักวิทยาศาสตร์ก็สั่งซื้อตัวเฟอเรทมา 1 ตัว ในราคา 35 ดอลลาร์ มันชื่อ “เฟลิเซีย” เป็นเฟอเรทเพศเมีย ลำตัวยาว 15 นิ้ว ซึ่งเป็นเฟอเรทตัวเล็กที่สุดที่ฟาร์มมีขายในตอนนั้น แต่ขนาดก็พอเหมาะพอดีกับความกว้างของท่อส่งอนุภาค

นักวิทยาศาสตร์สวมปลอกคอให้กับเฟลิเซีย จากนั้นก็นำสายเส้นลวดมาผูกติดกับปลอกคอ และสวมผ้าอ้อมให้เฟลิเซีย เพราะหากเธอฉี่หรืออึในท่อส่งอนุภาคมันก็จะปิดกั้นเส้นทางเดินของโปรตอนเช่นเดียวกัน

เฟลิเซียจะวิ่งเข้าไปในท่อส่งอนุภาคจนกระทั่งไปโผล่ที่ปลายอีกข้างหนึ่ง เมื่อได้ปลายเส้นลวดแล้ววิศวกรก็จะนำอุปกรณ์ทำความสะอาดติดตั้งบนเส้นลวด ดึงปลายเส้นลวดอีกด้านหนึ่งกลับ เพียงเท่านี้ก็จะสามารถทำความสะอาดภายในท่อส่งอนุภาคได้

ต้องซ้อมก่อน

เฟลิเซียไม่ยอมมุดเข้าท่อส่งอนุภาค ทำอย่างไรก็ไม่ยอมเข้าไป อาจเป็นเพราะภายในท่อมืดมาก เนื่องจากปลายท่ออีกด้านหนึ่งอยู่ห่างออกไปถึง 4 ไมล์ นักวิทยาศาสตร์จึงพาเฟลิเซียไปฝึกซ้อมที่สถานีวิจัยเมสันซึ่งกำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง มีท่อส่งอนุภาคคล้ายๆกัน มีความกว้างของท่อ 12 นิ้ว ยาว 300 ฟุต

หลังจากให้เฟลิเซียฝึกซ้อมจนมั่นใจว่าเธอพร้อมสำหรับการออกรอบมาราธอน นักวิทยาศาสตร์ก็นำเธอลงสนามจริงที่ NAL การมุดท่อจริงครั้งแรกเป็นไปด้วยดีแม้เฟลิเซียจะแสดงอาการอ่อนล้านิดหน่อย แต่ภารกิจยังไม่เสร็จเสียทีเดียว เพราะเฟลิเซียจะต้องมุดท่ออีก 7 ครั้ง เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์มั่นใจว่าภายในท่อส่งอนุภาคสะอาดปราศจากสิ่งแปลกปลอมที่เป็นอุปสรรคกับการทดลอง

หนังสือพิมพ์นิวยอร์กไทม์เขียนบทความสดุดีวีรกรรมของเฟลิเซีย และออกความเห็นว่าควรจะตบรางวัลด้วยการหาคู่ให้เธอ แต่วิศวกรคนหนึ่งออกมาแย้งโดยให้เหตุผลว่าไม่สามารถทำอย่างนั้นได้ เพราะเดี๋ยวเธอจะท้องโตมุดเข้าท่อส่งอนุภาคไม่ได้

ในช่วงเวลาเดียวกันวิศวกรฮานส์ คอตซกี้ คิดค้นอุปกรณ์ตัวแทนเฟอเรท เขานำแผ่นไมลาร์ซึ่งเป็นแผ่นฟิล์มโพลีเอสเตอร์ติดเข้ากับแท่งสแตนเลส ผูกติดกับสายเคเบิลสเตนเลสยาว 700 เมตร ใช้เครื่องอัดลมขับดันอุปกรณ์เข้าไปในท่อส่งอนุภาค เขาทำแบบนี้ 12 ครั้งจึงจะทำความสะอาดท่อส่งอนุภาคได้จนสุดปลายอีกข้าง ไม่จำเป็นต้องใช้แรงงานเฟลิเซียอีกต่อไป

วันที่ 1 มีนาคม 1972 นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการเร่งอนุภาคได้ถึงระดับ 200 BeV ตามที่ตั้งใจ หลังจากนั้นไม่นานต้นเดือนพฤษภาคมเฟลิเซียล้มป่วย เธอถูกส่งตัวไปรักษาที่โรงพยาบาลสัตว์ แต่สัตวแพทย์ไม่สามารถรักษาชีวิตเธอไว้ได้ เฟลิเซียเสียชีวิตในวันที่ 9 พฤษภาคม 1972

จุลสารวิลเลจไคร์เออร์รายงานข่าวว่า NAL จะนำร่างของเฟลิเซียไปสตัฟฟ์เพื่อเป็นอนุสรณ์รำลึกถึงการทดลองของ NAL ในยุคแรก แต่ไม่มีใครเคยเห็นร่างสตัฟฟ์ของเฟลิเซีย จึงมีความเป็นไปได้มากว่าไม่เคยมีการสตัฟฟ์ร่างเฟลิเซียตามที่เป็นข่าว จะมีก็แต่เพียงเรื่องราวและภาพถ่ายวีรกรรมของเฟลิเซีย เฟอเรทผู้ที่ทำให้เครื่องเร่งอนุภาคมูลค่า 250 ล้านดอลลาร์ทำงานได้