เจาะลึก XFEL เครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์เอกซเรย์ใหญ่ที่สุดในโลก

ข่าวคราวที่สร้างความฮือฮาแก่วงการวิทยาศาสตร์มากที่สุดเมื่อช่วงต้นเดือนที่ผ่านมา เห็นจะไม่พ้นการเปิดตัวเครื่องยิงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเพื่อการเอกซเรย์แห่งยุโรป (The European X-ray Free Electron Laser - XFEL ) ซึ่งตั้งอยู่ที่เมืองฮัมบวร์ก ประเทศเยอรมนี โดยบรรดานักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างหวังว่าจะได้มีโอกาสใช้งานเครื่องเร่งอนุภาค "เอกซ์เฟล" นี้ในการไขความลับของโครงสร้างมวลสารต่าง ๆ ที่เล็กละเอียดในระดับอะตอมกันเลยทีเดียว

จุดประสงค์ในการก่อสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลมูลค่ากว่า 1,000 ล้านยูโร โดยบรรดาชาติภาคี 11 ชาติในยุโรปนั้น ก็เพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงที่มีพลังงานสูงพอจะเผยให้เห็นโครงสร้างระดับอนุภาคอย่างละเอียด รวมทั้งกระบวนการของปฏิกิริยาเคมีที่เริ่มต้นและสิ้นสุดลงอย่างรวดเร็ว โดยภาพเอกซเรย์ที่เครื่องเอกซ์เฟลจับไว้ได้จะเป็นประโยชน์ต่อการคิดค้นวัสดุล้ำสมัย รวมทั้งยาและวิธีการรักษาโรคใหม่ ๆในอนาคต

เครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลใช้เวลาก่อสร้างนานกว่า 8 ปี มีลักษณะเป็นอุโมงค์ยาว 3.4 กิโลเมตร ฝังอยู่ลึกลงไปใต้พื้นดินราว 40 เมตร มีหลักการทำงานโดยเร่งให้กลุ่มของอิเล็กตรอนตั้งต้นมีความเร็วใกล้เคียงกับแสงเสียก่อน ก่อนจะนำเข้าสู่อุโมงค์แม่เหล็กที่เหวี่ยงให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่แบบเบี่ยงขึ้นลงไปมาเหมือนกับคลื่น

การเคลื่อนที่แบบนี้ทำให้อิเล็กตรอนปลดปล่อยลำแสงเอกซเรย์ออกมาในที่สุด และยิ่งอิเล็กตรอนสัมผัสเข้ากับลำแสงนี้มากเท่าไหร่ ตัวของมันเองก็จะรวมกลุ่มเข้าด้วยกันหนาแน่นขึ้นเท่านั้น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้ไม่เพียงทำให้ลำแสงเอกซเรย์มีความสว่างเจิดจ้ามากขึ้นหลายเท่า แต่ยังทำให้เกิดการรวมตัวเป็นลำแสงที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งถือเป็นคุณสมบัติของเลเซอร์นั่นเอง เมื่อเกิดแสงเลเซอร์เอกซเรย์ตามที่ต้องการแล้ว อิเล็กตรอนอิสระที่ใช้ในการสร้างลำแสงก็จะถูกแยกออกไป

แสงเลเซอร์เอกซเรย์พลังงานสูงที่เกิดขึ้นนี้ จะฉายทะลุทะลวงวัสดุใด ๆ ก็ตามที่ถูกนำไปขวางหน้าอยู่ ไม่ว่าจะเป็นโมเลกุลของโปรตีนในร่างกายมนุษย์ หรือตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีในงานอุตสาหกรรม เพื่อเผยให้เห็นถึงรายละเอียดระดับอนุภาคซึ่งจะได้รับการบันทึกไว้ด้วยกล้องชนิดพิเศษอีกครั้งหนึ่ง

ปัจจุบันมีการใช้งานเครื่องเอกซเรย์แสงซินโครตรอนเพื่อทำหน้าที่ในลักษณะนี้อยู่แล้ว แต่เครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลมีความสว่างมากกว่าเครื่องมือชนิดเดิมถึง 1,000 ล้านเท่า สามารถบันทึกภาพความเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นในเวลาอันรวดเร็วชั่วพริบตา โดยปลดปล่อยอนุภาคของแสง (โฟตอน) จากรังสีเอกซ์ออกมาได้ถึง 1 ล้านล้านโฟตอน ภายในช่วงเวลาเพียง 50 เฟมโตวินาที (0.00000000000005 วินาที) และยังทำซ้ำเช่นนี้ได้ถึง 27,000 ครั้ง ภายในเวลาเพียง 1 วินาที

คุณสมบัติเช่นนี้ทำให้การศึกษาด้านวัสดุศาสตร์ พันธุศาสตร์ หรือชีวโมเลกุล เป็นไปอย่างสะดวกง่ายดายมากขึ้น เนื่องจากสามารถใช้เครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลถ่ายภาพเอกซเรย์ที่มีความละเอียดสูงจากสารที่ทำการศึกษาได้เลย โดยไม่ต้องนำไปทำให้อยู่ในรูปของผลึกคริสตัลบริสุทธิ์เสียก่อน ซึ่งในหลายกรณีนั้นทำได้ยากหรืออาจทำไม่ได้เลยด้วยซ้ำ

อย่างไรก็ตาม ลำแสงเลเซอร์เอกซ์เรย์พลังงานสูงที่เครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลปลดปล่อยออกมา จะทำลายสารหรือวัสดุตัวอย่างที่นำมาศึกษาไปด้วย รวมทั้งอาจทำให้กล้องบันทึกภาพที่ใช้งานคู่กันเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว จึงต้องมีการเตรียมผลิตกล้องสำรองเอาไว้ด้วย โดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดของสหราชอาณาจักรเป็นผู้คิดค้นพัฒนากล้องนี้ และสหราชอาณาจักรกำลังเตรียมตัวเข้าเป็นภาคีรายที่ 12 ของสถาบันเครื่องเร่งอนุภาคเอกซ์เฟลภายในสิ้นปีนี้