“สานฝันคนเล่นแร่แปรธาตุ
เมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนตะกั่วเป็นทองคำ
ด้วยพลังสนามแม่เหล็กไฟฟ้า”
เป็นเวลาหลายศตวรรษแล้วที่มนุษย์ใฝ่ฝันจะเปลี่ยนแร่ธาตที่ดูไร้ค่าเป็นสิ่งที่มีค่าขึ้นมา แม้แต่ ไอแซค นิวตัน เองก็หมกหมุ่นกับศาสตร์การเล่นแร่แปรธาตุนี้ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันวิเคราะห์เส้นผมของนิวตัวในทศวรรษ 1970 ก็พบว่ามันมีปรอท (ธาตุที่นิยมในสมัยนั้น) ปนเปื้อนอยู่มากกว่าธรรมชาติถึง 40 เท่า
ซึ่งไม่ว่าจะทำอย่างไรผู้คนในอดีตก็ไม่สามารถได้ผลลัพธ์อย่างที่พวกเขาหวังไว้เลย ศาสตร์แห่งการเล่นแร่แปรธาตุจึงค่อย ๆ หมดความน่าสนใจลง แต่ด้วยวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ตอนนี้เราสามารถสร้างทองคำจากตะกั่วได้แล้ว แม้จะมีทองไม่มากและอยู่ไม่นาน แต่ผลลัพธ์นั้นยังคงน่าประทับใจ
“แต่ความรู้สมัยใหม่บอกเราถึงความแตกต่างพื้นฐานระหว่างอะตอมของตะกั่วและอะตอมของทองได้ นั่นคือ อะตอมของตะกั่วมีโปรตอนมากกว่า 3 ตัวพอดี” อุลริค เอเกเด (Ulrik Egede) ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยโมนาช กล่าว “ดังนั้นแล้วเราสามารถสร้างอะตอมของทองได้ด้วยการดึงโปรตอน 3 ตัวออกจากอะตอมของตะกั่วได้หรือไม่?”
ปรากฏว่าเราทำได้ แต่ไม่ใช่เรื่องง่าย
เครื่องชนอนุภาคฮาดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider (LHC)) นั้นเป็นเครื่องขนาดใหญ่ (มาก) ที่จะเร่งอนุภาคให้เร็วเกือบเท่าความเร็วแสงมาชนกัน จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็จะดูว่ามีอะไรกระเด็นออกมาบ้าง ข้อมูลการชนโดยตรงที่สำคัญเหล่านี้จะช่วยให้เข้าใจองค์ประกอบพื้นฐานของสสารไปจนถึงการสำรวจโครงสร้างระดับเล็กที่สุดของจักรวาล
อย่างไรก็ตามขณะที่นักวิจัยของ LHC กำลังทุบอะตอมของตะกั่วเข้าหากันด้วยความเร็วสูง เพื่อพยายามเลียนแบบสถานะของจักรวาลหลังบิ๊กแบง แต่แล้วพวกเขาก็ต้องประหลาดใจเมื่อหน้าจอแสดงผลข้อมูลว่ามีทองคำออกมาโดยบังเอิญในปริมาณที่น้อยมาก นั่นคือ 0.000000000029 กรัม
โดยรวมแล้วในการทดลองตั้งแต่ปี 2015 ถึง 2018 พวกเขาสามารถผลิตนิวเคลียสของทองคำได้ประมาณ 86,000 ล้านนิวเคลียส หรือประมาณ 89,000 นิวเคลียสต่อวินาทีจากการชนกันของตะกั่ว
“การวิเคราะห์ของ ALICE (ห้องทดลองในสวิตเซอร์แลนด์) แสดงให้เห็นว่าในระหว่างการชนกัน 2 รอบของ LHC (2015-2018) มีนิวเคลียสทองคำประมาณ 86,000 ล้านนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นในการทดลองหลักทั้ง 4 ครั้ง” เจ้าหน้าที่ของ CERN (ที่ตั้งของ LHC) เขียนไว้ในแถลงการณ์
พวกเขาทำได้อย่างไร?
โดยทั่วไปแล้ว โปรตอนมีประจุไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าสนามไฟฟ้าสามารถดึงหรือผลักพวกมันได้ การวางนิวเคลียสของอะตอมไว้ในสนามไฟฟ้าจึงให้ผลเดียวกัน ทว่าสิ่งที่ยากก็คือนิวเคลียสเหล่านั้นถูกยึดเข้ากันด้วยแรงพื้นฐานธรรมชาติที่แข็งแกร่งมาก นั่นคือ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม
ดังนั้นมันจึงหมายความต่อไปว่า เราจำเป็นต้องใช้สนามไฟฟ้าที่ทรงพลังอย่างมากเพื่อดึงโปรตอนออกมา โดยรวมแล้วนักวิทยาศาสตร์ประเมินว่าจะต้องแรงกว่าสนามไฟฟ้าที่สร้างสายฟ้าในชั้นบรรยากาศของโลกราว 1 ล้านเท่า แต่เครื่อง LHC สามารถทำได้
“วิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้างสนามไฟฟ้านี้คือ การยิงลำแสงของนิวเคลียสตะกั่วเข้าหากันด้วยความเร็งสูงอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งเกือบจะเท่ากับความเร็วแสง” เอเกเด อธิบาย
อันที่จริงแล้วอะตอมเหล่านั้นไม่ได้ชนกันตรง ๆ แต่ใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้าชนกัน หรือก็คือ อนุภาคจะเคลื่อนผ่านกันในระยะใกล้โดยไม่สัมผัสกัน แต่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นสูงจนสามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สังเกตได้ (แต่เราสามารถพูดได้อย่างง่าย ๆ ว่าพวกมันชนกัน)
สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ เมื่อนิวเคลียสตะกั่วตัวหนึ่งเคลื่อนผ่านอีกตัวหนึ่ง สนามไฟฟ้าระหว่างนิวเคลียสทั้งสองจะทรงพลังมากจนทำให้เกิดการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วระหว่างนิวเคลียสจนเกิดการสั่นสะเทือน และบางครั้งมันก็สลัดโปรตอนออกมา 3 ตัวพอดี เมื่อเหตุการณ์นี้เกิดขึ้น นิวเคลียสของตะกั่วก็จะกลายเป็นทองคำ
“สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสตะกั่วมีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ เนื่องจากนิวเคลียสมีโปรตอน 82 ตัวซึ่งแต่ละตัวมีประจุพื้นฐาน 1 ตัว” รายงานระบุ “ยิ่งไปกว่านั้น ความเร็วที่สูงมากที่นิวเคลียสตะกั่วเคลื่อนที่ใน LHC (เทียบเท่า 99.999993% ของความเร็วแสง) ทำให้เส้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าถูกบีบอัดเป็นแผ่นบาง ๆ ในทิศทางการเคลื่อนที่ ก่อให้เกิดพัลส์โฟตอนชั่วระยะเวลาสั้น ๆ”
สิ่งที่น่าประทับใจกว่านั้นก็คือ การตรวจจับ ซึ่งไม่เพียงแค่ตรวจการก่อตัวของทองคำได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการผลิตอะตอมของตะกั่ว แทลเลียม และปรอทด้วย ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณอุปกรณ์ที่ชื่อว่า เครื่องวัดค่าแคลอรีมิเตอร์แบบศูนย์องศา (ZDC) ซึ่งช่วยตรวจจับและนับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับนิวเคลียส
อย่างไรก็ตาม นักเล่นแร่แปรธาตุยุคกลางคงต้องผิดหวังอย่างมากแน่นอน เนื่องจากนิวเคลียสทองคำที่ออกมาได้สลายตัวเป็นฝนโปรตน นิวตรอน และอิเล็กตรอนในแทบจะทันที ทว่าวิทยาศาสตร์ยุคใหม่ก็แสดงให้เห็นว่า ความรู้ที่ได้จากการทดลองเหล่านี้ล้ำค่ายิ่งกว่าทองคำที่ผู้คนยุคกลางต้องการอย่างมาก
“เป็นเรื่องที่น่าประทับใจที่พบว่าเครื่องตรวจจับของเราสามารถรับมือกับการชนกันโดยตรง ซึ่งก่อให้เกิดอนุภาคจำนวนหลายพันอนุภาคได้” มาร์โก ฟาน ลีเวน (Marco van Leeuwen)นักฟิสิกส์อนุภาคจากมหาวิทยาลัยอูเทรคต์และโฆษกของโครงการร่วมมือ ALICE กล่าว
“ขณะเดียวกันยังไวต่อการชนกัน ซึ่งก่อให้เกิดอนุภาคเพียงไม่กี่อนุภาคในแต่ละครั้ง ซึ่งช่วยให้เราสามารถศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการ ‘การเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส’ ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่หาได้ยากได้”
ที่มา
อ่านเพิ่มเติม : ทิม ฟรีด ชายผู้ยอมให้งูพิษกัดกว่า 200 ครั้ง
เพื่อหนทางสู่เซรุ่มต้านพิษงูครอบจักรวาล
