ฟิสิกส์อนุภาคกับเครื่องสแกนทะลุโลก ตอนที่ 1

รูปลักษณ์ภายนอกเป็นสิ่งที่มองเห็นได้ง่าย แต่สิ่งที่อยู่ภายในเป็นอะไรที่มองเห็นได้ยาก หากเราต้องการมองเห็นสิ่งที่อยู่ภายในร่างกาย เราจำเป็นต้องใช้เครื่องมือพิเศษเข้ามาเป็นตัวช่วย อาจเป็นเครื่อง X-Ray หรือเครื่อง CT Scan (Computed Tomography) ทั้งสองอย่างเป็นการประยุกต์ใช้ความรู้ด้านฟิสิกส์ของรังสีเอกซ์มาใช้ทางการแพทย์จนเกิดประโยชน์มหาศาลต่อมวลมนุษยชาติ การนำมนุษย์คนหนึ่งไป X-Ray หรือทำ CT Scan ไม่ใช่เรื่องยาก เพราะขนาดของมนุษย์ไม่ได้ใหญ่โตอะไรมากมายนัก แต่ถ้าเราต้องการรู้โครงสร้างภายในของสิ่งที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นมาก ๆ อย่างเช่นโบราณสถานสักแห่ง เราจะต้องหันไปพึ่งวิธีการอื่น
 

สามมหาพีระมิดแห่งกีซา
(ภาพจาก https://www.ancient.eu/Great_Pyramid_of_Giza/)

ในอดีต นักโบราณคดีที่สนใจอารยธรรมอียิปต์โบราณต้องลงทุนลงแรงอย่างมากเพื่อขุดสำรวจทางเดินและห้องต่าง ๆ ภายในพีระมิด แม้การขุดสำรวจจะให้ข้อมูลและประสบการณ์ภาคสนามอย่างมหาศาล แต่ปัญหามีอยู่ว่าพีระมิดจำนวนมากมักจะมีห้องลับซุกซ่อนอยู่ในภายในกำแพงจนยากที่จะค้นพบ นักโบราณคดีสมัยก่อนจึงต้องระดมสมองช่วยกันคิดว่าทำอย่างไรถึงจะหาห้องลับเหล่านี้เจอโดยไม่สร้างความเสียหายให้พีระมิด เพราะสุสานและพีระมิดหลายแห่งในอียิปต์ถูกโจรขุดสุสานลักลอบขุดจนเสียหายมามากแล้ว หนทางในการแก้ปัญหาปรากฏขึ้นเมื่อนักฟิสิกส์ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่เรียกว่า การถ่ายภาพด้วยอนุภาคมิวออน (Muongraphy) ขึ้นมา แต่ก่อนที่เราจะพูดถึงเทคโนโลยีนี้ ผู้เขียนต้องขออธิบายก่อนว่าอนุภาคมิวออนคืออะไรและทำไมจึงกลายเป็นกุญแจในการไขคำตอบ


อนุภาคมิว เมซอน (Mu-Meson) หรือที่นิยมเรียกกันว่าอนุภาคมิวออน (Muon) ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชื่อ Carl Anderson และ Seth Neddermeyer เมื่อปีค.ศ.1936 มิวออนถูกจัดให้เป็นอนุภาคมูลฐาน (Elementary Particle) ซึ่งหมายถึงอนุภาคที่ไม่ได้ประกอบขึ้นจากอนุภาคย่อยอื่นใด มิวออนมีคุณสมบัติคล้ายกับอิเล็กตรอนแต่มีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 207 เท่า และมีอันตรกิริยา (Interaction) กับนิวเคลียสของอะตอมน้อยมาก เหตุนี้เองที่ทำให้มิวออนสามารถเคลื่อนที่ทะลุผ่านวัตถุต่าง ๆ ได้โดยถูกดูดกลืนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น


อนุภาคมิวออนที่นักฟิสิกส์ใช้ในการตรวจวัดเกิดขึ้นจากการชนของรังสีคอสมิกกับอะตอมหรืออนุภาคในชั้นบรรยากาศ (เช่น ออกซิเจนและไนโตรเจน) ในระดับสูงจากพื้นโลกหลายกิโลเมตร ปกติแล้วมิวออนเป็นอนุภาคที่อายุไม่ยืนและมันจะสลายตัวไปเป็นอนุภาคชนิดอื่นอย่างรวดเร็วภายในเวลาประมาณ 2 ไมโครวินาที (2x10-6 วินาที หรือ 2 ในล้านของวินาที) แต่สาเหตุที่นักฟิสิกส์สามารถตรวจพบมิวออนที่มาจากชั้นบรรยากาศในระดับใกล้พื้นผิวโลกได้ เป็นเพราะมิวออนเคลื่อนที่เร็วมากจนมีอายุยืนขึ้นตามหลักการยืดและหดของเวลา (Time Dilation) ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity Theory) ซึ่งผลจากการยืดและหดของเวลาทำให้มิวออนแก่ช้าลงถึง 27 เท่าเมื่อมองจากผู้สังเกตภายนอก (เห็นไหมครับว่าฟิสิกส์เต็มไปด้วยเรื่องที่น่าทึ่งและอยู่ใกล้ตัวเรามากขนาดไหน!)


อนุภาคมิวออนเคลื่อนที่ผ่านอากาศโดยไม่ถูกดูดกลืน แต่หากมันเคลื่อนที่ผ่านหินหรือวัสดุก่อสร้างมันจะถูกดูดกลืนบางส่วนทำให้มิวออนที่เคลื่อนผ่านหินหนา ๆ มีจำนวนน้อยลง นักฟิสิกส์จึงนำคุณสมบัตินี้มาพัฒนาเป็นเทคโนโลยี Muongraphy ซึ่งต้องใช้เครื่องตรวจจับอนุภาคมิวออน (Muon Detectors) เพื่อค้นหาโครงสร้างภายในของโบราณสถาน หลักการนี้เหมือนกับการใช้รังสีเอกซ์ถ่ายภาพภายในร่างกายมนุษย์ เนื่องจากกระดูกและเนื้อเยื่อมีการดูดกลืนรังสีที่แตกต่างกัน เมื่อทำการวัดรังสีเอกซ์ที่เหลืออยู่หลังจากเคลื่อนที่ผ่านร่างกายทำให้เรารู้ว่าบริเวณใดเป็นกระดูกและบริเวณใดเป็นเนื้อเยื่อ


เนื่องจาก Muongraphy เป็นวิธีที่ไม่ทำลายตัวอย่าง (Non Destructive Testing) ทำให้มันเคยถูกใช้ในการสำรวจพีระมิดมาแล้วหลายแห่ง เช่น Luis Alvarez นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลประจำปีค.ศ.1968 และหนึ่งในผู้ไขปริศนา K-T Boundary ได้ใช้วิธีนี้ในการสำรวจพีระมิด Chephren เมื่อปีค.ศ.1974 รวมถึงนักฟิสิกส์ Arturo Menchaca ก็เคยใช้วิธีนี้ในการสำรวจพีระมิดแห่ง Teotihuacan ของอารยธรรมแอซเทก (Aztec) ในประเทศเม็กซิโกเมื่อปีค.ศ.2003 เช่นกัน
 

พีระมิดแห่งคูฟู
(ภาพจาก https://bit.ly/2Taww3b)
 

พีระมิดที่ยิ่งใหญ่ เก่าแก่ และได้รับความสนใจมากที่สุดคงหนีไม่พ้นพีระมิดคูฟู (Pyramid of Khufu) ซึ่งเป็นพีระมิดที่ใหญ่ที่สุดในมหาพีระมิดแห่งกีซา (The Great Pyramid of Giza) พีระมิดแห่งนี้ตกเป็นเป้าสำรวจของนักโบราณคดี นักอียิปต์วิทยา นักวิทยาศาสตร์ และวิศวกร ในโครงการ ScanPyramids นำโดย Cairo University และ HIP Institute มาตั้งแต่ปีค.ศ.2015 โดยทีมงานของโครงการได้ใช้วิธีภาพถ่ายความร้อนจากรังสีอินฟราเรด (Infrared Thermography) วิธีสร้างภาพสามมิติด้วยอนุภาคมิวออน (Muon Tomography) รวมถึงวิธีสร้างแบบจำลองสามมิติทางวิศวกรรมโครงสร้าง (Construction 3-D Simulation) เพื่อค้นหาห้องลับที่ซุกซ่อนอยู่ภายในพีระมิด และเมื่อเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2017 ทีมสำรวจของ Kunihiro Morishima แห่ง Nagoya University ก็ได้เปิดเผยผลการสำรวจว่าพวกเขาค้นพบช่องว่างยาว 30 เมตร (Big Void) อยู่เหนือห้องโถงใหญ่ (Grand Gallery) ภายในพีระมิดอีกทีหนึ่ง แต่นักโบราณคดีบางส่วนก็ให้ความเห็นว่าช่องดังกล่าวอาจไม่ได้เกี่ยวข้องกับห้องลับแต่อย่างใด มันอาจเป็นเพียงช่องทางระบายน้ำหรือช่องว่างที่สร้างไว้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นก็ได้ ซึ่งเราต้องติดตามข้อมูลจากเว็บไซต์ของ ScanPyramids กันต่อไป
 

นักวิจัยติดตั้งเครื่องตรวจวัดอนุภาคมิวออนภายในพีระมิด
(ภาพจาก https://go.nature.com/2DiYOmy)
 
ภาพสามมิติแสดงโครงสร้างภายในพีระมิด ทำให้เห็นได้ชัดว่ามีช่องว่างอยู่เหนือ Grand Gallery
(ภาพจาก https://bit.ly/2RT1Q57)

อย่างไรก็ตาม หากท่านผู้อ่านคิดว่าภารกิจ ScanPyramids เป็นภารกิจที่ “ใหญ่” แล้ว ผู้เขียนอยากแนะนำให้ท่านผู้อ่านรู้จักกับโครงการที่ “ใหญ่กว่า” โปรดติดตามในตอนต่อไปครับ

 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://www.orau.org/ptp/collection/miscellaneous/cloudchamber.htm
• [2] http://www.scanpyramids.org/
• [3] http://www.hip.institute/
• [4] https://www.nature.com/news/cosmic-ray-particles-reveal-secret-chamber-in-egypt-s-great-pyramid-1.22939
• [5] https://www.nature.com/articles/nature24647
• [6] http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/3710735.stm