ความร่วมมือระหว่างประเทศไทยกับ ALICE/CERN
เนื้อหาโดย : ผศ. ดร. ชิโนรัตน์ กอบเดช สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
ดร.กฤษดา กิตติมานะพันธ์ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ดร.วุฒินันท์ เจียมศักดิ์ศิริเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ
ดร. ขจรพงษ์ อัครจิตสกุล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

        อนุภาค และ ฟิสิกส์อนุภาค คือ อะไร
     หลาย ๆ คน คงได้ยินข่าวเรื่อง ฝุ่น PM 2.5 มากันแล้วบ้าง  ตัวอักษร PM นั้น ย่อมาจากคำว่า Particulate Matters ซึ่งเป็นคำศัพท์มาตรฐานที่ใช้เรียก ฝุ่นละอองขนาดเล็ก โดยตัวเลข 2.5 นั้นมีหน่วยเป็น ไมครอนหรือไมโครเมตร  (10-6 เมตร) หรือ หากจะเปรียบเทียบก็คือ การที่เราแบ่งความยาว 1 เมตร ออกเป็นหนึ่งล้านส่วนเล็ก ๆ ที่เท่ากัน แล้วหยิบออกมาเพียง 1 ชิ้น ก็จะได้ชิ้นส่วนเล็ก ๆ  ที่มีขนาด 1 ไมครอน  ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมของเราถึง 50 เท่า และเป็นการยากที่จะมองเห็นด้วยตาเปล่า ชิ้นที่ส่วนเล็กมาก ๆ เหล่านี้จะมีชื่อเรียกว่า  “อนุภาค”  โดยคำว่า “อนุ” ก็คือ เล็ก ๆ นั่นเอง

     ฟิสิกส์อนุภาค (Particle Physics) คือ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาสิ่งไม่มีชีวิตขนาดเล็ก ๆ ที่เป็นองค์ประกอบของโลกและจักรวาล แต่การศึกษาของชิ้นที่เล็กมาก ๆ ที่เราไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่านั้น ต้องมีการออกแบบเครื่องมือที่มีความสามารถสูงที่จะช่วยให้เราศึกษาอนุภาคเหล่านี้ได้  ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็กมากเพียงใด เครื่องมือที่ใช้ศึกษาก็ต้องมีความสามารถสูงและซับซ้อนมากขึ้นตามไปด้วย

     วิธีการและเครื่องมือหลัก ๆ ที่ใช้ในการศึกษาอนุภาคเล็ก ๆ ที่เป็นองค์ประกอบในการเกิดขึ้นของจักรวาล หรือ ต่อไปนี้จะเรียกว่า อนุภาคมูลฐาน (elementary particles) โดยสรุปนั้นประกอบด้วย

     1. แนวความคิดในเชิงสมมติฐานที่สามารถอธิบายได้ โดยใช้คณิตศาสตร์หรือทฤษฎี (theory)
     2. เครื่องเร่งอนุภาค (accelerator) ซึ่งทำหน้าที่เร่งอนุภาคให้เคลื่อนที่เข้าชนกัน เพื่อศึกษาว่าอนุภาคนั้นมีองค์ประกอบอะไรบ้าง และหลังจากการชนกันแล้ว ทำให้เกิดปรากฏการณ์อะไรเกิดขึ้นตามมาบ้าง
     3. เครื่องมือสำหรับใช้วัด หรือ หัววัด (detector) ที่มีการออกแบบเพื่อให้สามารถตรวจวัดค่าและปริมาณต่าง ๆ ทางกายภาพของสิ่งที่เกิดขึ้นจากการชนกันของอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ได้
     4. ระบบเก็บข้อมูลสำหรับค่าที่วัดได้ (computer and storage system)
     5. การวิเคราะห์และประมวลผล (data analysis)เพื่อนำข้อมูลที่ได้มาสรุปเป็นองค์ความรู้ใหม่ที่กำลังศึกษาค้นคว้าอยู่

     ในหัวข้อนี้ เราจะเน้นไปถึงการออกแบบและสร้างเครื่องมือสำหรับใช้วัดหรือตรวจจับอนุภาค ที่มีขนาดเล็กระดับ 10-18–10-15 เมตร หรือ  1  ใน ล้านล้านล้าน ถึงพันล้านล้านส่วน (  1/1,000,000,000,000,000,000-1/1,000,000,000,000,000)

หากจะเปรียบเทียบเพื่อให้เห็นภาพ ลองจินตนาการดูว่า ถ้ามีรถยนต์สองคันวิ่งเข้าชนกันด้วยความเร็วสูง การชนกันนี้จะทำให้เกิดเศษโลหะและชิ้นส่วนต่าง ๆ กระเด็นหลุดออกจากรถยนต์ที่เข้าชนกัน ในเวลาช่วงเสี้ยววินาที

ที่เกิดการชนเกิดขึ้น  ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมีขนาดที่แตกต่างกัน เคลื่อนที่ด้วยความเร็วและทิศทางที่ไม่เหมือนกัน  ดังนั้น หากเราต้องการที่จะออกแบบเครื่องมือให้สามารถวัดความเร็ว และทิศทางของชิ้นส่วนของรถยนต์ที่กระเด็นออกมา ในช่วงระยะเวลาที่สั้นมากนั้น ไม่ใช่เรื่องง่าย ยิ่งไปกว่านั้นหากชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็กมากที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่า อย่างเช่นในกรณีของอนุภาคมูลฐานที่เราสนใจ  ข้อมูลต่าง ๆ ของอนุภาคที่เกิดขึ้นหลังจากการชนมีเป็นจำนวนมาก และมีความหลากหลาย
ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์หรือ หัววัด ที่ใช้ตรวจจับอนุภาคต่าง ๆ จึงต้องมีความประสิทธิภาพสูงและใช้เทคโนโลยีในการออกแบบและสร้างที่มีความซับซ้อนมาก
ดังนั้น การเข้าไปมีส่วนร่วมในการออกแบบและพัฒนาระบบตรวจวัดอนุภาคของนักวิจัยไทยกับห้องปฏิบัติการไออนหนักอลิซ (A Large Ion Collider Experiment, ALICE) ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการหนึ่ง ของสถาบันวิจัยทางนิวเคลียร์ยุโรปหรือ เซิร์น (CERN) เกิดขึ้นด้วยพระกรุณาธิคุณของสมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ที่ทรงสนับสนุนให้ที่จะให้นักวิทยาศาสตร์จากประเทศไทยได้มีโอกาสทำงานวิจัยร่วมกับนักวิจัยที่เซิร์น เพื่อทำให้เกิดการเรียนรู้ ถ่ายทอดและปรับแปลงเทคโนโลยีขั้นสูงมาสู่ประเทศไทย

ALICE คือ อะไร
     ALICE เป็นหนึ่งในการทดลองขนาดใหญ่ที่ตรวจจับอนุภาคและสสารที่เกิดขึ้นจากการชนกันของไอออนหนัก (heavy-ion) ในเครื่องชนอนุภาคฮาดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider, LHC) โดยจากการคำนวณทางทฤษฏีพบว่าขณะที่เกิดการชนกันของไออนหนัก จะมีโอกาสที่ทำให้เกิดภาวะที่พลังงานและความร้อนสูงมากเพียงพอ (อุณหภูมิสูงกว่า 100,000 เท่าของศูนย์กลางดวงอาทิตย์) ที่จะทำให้เกิด  “สถานะพลาสมาของควาร์กและกลูออน” (quark-gluon plasma–QGP) โดยถือว่าควาร์กเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของโปรตอนและนิวตรอน  และกลูออน คือ อนุภาคยึดเหนี่ยวควาร์กเข้าไว้ด้วยกัน  จากการคำนวณนักฟิสิกส์อนุภาคทำให้เชื่อกันว่า การชนของไอออนหนักดังกล่าวสามารถสร้างภาวะที่ใกล้เคียงกับการเกิดบิ๊กแบง (Big Bang)  ซึ่งคาดว่าจะสามารถตอบคำถามสำคัญๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องจุดกำเนิดของจักรวาลและการเกิดขึ้นของสสารชนิดต่าง ๆ ในระยะถัดมา
การตรวจจับอนุภาคและสสารที่เกิดขึ้นจากการชนกันของไอออนหนัก จะอาศัยเครื่อง ALICE detector ที่ยาว 26 เมตร กว้าง 16 เมตร และสูง 16 เมตร ซึ่งได้รับการติดตั้งอยู่ในอุโมงค์ใต้ดินลึกลง 56  เมตร ในหมู่บ้าน St. Genis-Pouilly ประเทศฝรั่งเศส มีนักวิทยาศาสตร์กว่า 1,000 คน จากกว่า 100 สถาบัน ในกว่า 30 ประเทศทั่วโลก รวมถึงนักวิทยาศาสตร์จากประเทศไทย ร่วมมือกันศึกษาผลการทดลองยิงอนุภาคหนักให้ชนกันดังกล่าว

     ตั้งแต่เดือนธันวาคม พ.ศ. 2561 เป็นต้นมา เซิร์นได้ปิดระบบมีกำหนดเป็นระยะเวลา 2 ปี เพื่อปรับปรุงอุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ ตลอดจนทำการซ่อมแซมส่วนต่าง ๆ ในอุโมงค์วงแหวน ซึ่งเรียกว่า การปิดทำการระยะยาว ครั้งที่สอง (the second long shutdown–LS2) โดย ALICE เองก็ได้ใช้โอกาสเดียวกันนี้ปรับปรุงระบบหัววัดต่าง ๆ ที่สำคัญ และจำเป็นต่อการทำงานของโครงการ ALICE  โดยระบบหนึ่งที่มีความสำคัญมาก เนื่องจากเป็นระบบที่อยู่ใกล้จุดที่เกิดการชน (interaction point) ของไอออนหนัก ที่ให้ข้อมูลสำคัญของการเกิดขึ้นและมีอยู่ของจักรวาล ตลอดจนการสร้างสสารต่าง ๆ คือ ระบบตรวจวัดทางเดินของอนุภาคด้านใน (Inner Tracking System: ITS) ซึ่งงานวิจัยนี้เป็นความร่วมมือของประเทศทั้งหมด 14  ประเทศ  โดยมี ดร. ลูเซียโน มูซา (Luciano Musa) เป็นหัวหน้าโครงการ ที่นักวิจัยไทยเข้าไปมีส่วนร่วมในการวิจัยและการพัฒนา

ระบบตรวจวัดทางเดินของอนุภาคด้านใน (Inner Tracking System: ITS) คือ อะไร

ระบบ ITS เป็นระบบที่อยู่ชั้นในสุด ประกอบขึ้นจาก แถบรองรับเซนเซอร์ (stave) ที่นำมาเรียงประกอบกันเป็นรูปทรงกระบอกล้อมรอบบริเวณที่เกิดการชนกันของอนุภาค ซึ่งบนแต่ละแถบรองรับเซนเซอร์นี้จะติดตั้งเซนเซอร์รับภาพแบบ Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) สำหรับใช้ในการตรวจวัดทางเดินของอนุภาคที่เกิดขึ้นหลังการชนกัน   โดยนักวิจัยจากประเทศไทยได้เข้าไปมีส่วนร่วมในการศึกษาหาวัสดุที่เหมาะสม ในการผลิตเซนเซอร์ที่มีขนาดพิกเซลขนาด 28 x 28 ไมโครเมตร และมีความบางเพียง 50 ไมโครเมตร, ร่วมทดสอบการทำงาน และวัดประสิทธิภาพของเซนเซอร์ต้นแบบโดยใช้ลำอิเล็กตรอน, จำลองสถานการณ์การวัดอนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่าน, ออกแบบและทดสอบระบบควบคุมการรับส่งข้อมูลของหัววัด เข้ากับระบบประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ โดยสถาบันการศึกษาและวิจัยของไทยที่เข้าร่วมการศึกษาและวิจัยมีทั้งสิ้น 4 หน่วยงาน ได้แก่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี (SUT) สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (SLRI) และ ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (โดย TMEC) ได้เข้าร่วม โครงการวิจัย เรื่องการปรับปรุงระบบ ITS และ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (KMUTT)  ได้เข้าร่วมพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ แบบ Online-Offline (O2) กับ ALICE โดยได้รับการสนับสนุนจากทุน CPMO ของ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (NSTDA) 50% ในรูปแบบเงินสมทบ ร่วมกับหน่วยงานต้นสังกัดอีก 50% รวมเป็นวงเงินทั้งสิ้น 28 ล้านบาท

     ระบบ ITS ที่ได้รับการปรับปรุงแล้ว จะได้รับการติดตั้งและทดสอบที่ห้องปฏิบัติการ ALICE ITS บนภาคพื้นดิน เพื่อทดสอบการทำงานอย่างเต็มรูปแบบ ก่อนที่จะถูกนำลงไปติดตั้งยังบริเวณชั้นใต้ดินในปลายปี พ.ศ. 2563 ซึ่งการปรับปรุงนี้จะสามารถช่วยให้ ALICE ตรวจจับปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นหลังการชนของไออนหนักได้ละเอียดมากขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่เกิดขึ้น แล้วสลายตัวไปภายในเวลาเสี้ยววินาทีที่สั้นมาก ๆ ทั้งนี้เมื่อสามารถตรวจจับปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้เพิ่มมากขึ้นและมีความละเอียดสูงขึ้น การบันทึกผลและนำส่งข้อมูลไปเก็บรักษาเพื่อรอการวิเคราะห์ผล ย่อมต้องใช้เครือข่ายระบบคอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงเพิ่มขึ้นด้วย โดยระบบคอมพิวเตอร์ ได้ถูกออกแบบใหม่ เพื่อรองรับข้อมูลที่เกิดขึ้นหลังจากการปรับปรุงหัววัดต่าง ๆ ของ ALICE ระบบนี้เรียกว่า Online-Offline หรือ O2

ระดับระบบตรวจจับอนุภาคต่าง ๆ สำหรับระบบติดตามอนุภาคภายในระบบใหม่นี้ จะมีประสิทธิภาพในการตรวจจับอนุภาคได้ดีขึ้น และมีการบันทึกข้อมูลได้เร็วขึ้นกว่า 50 เท่า อีกทั้งระบบติดตามอนุภาคนี้จะรบกวนเส้นทางของอนุภาคที่เกิดขึ้นน้อยมาก ส่วนประกอบที่สำคัญของระบบติดตามอนุภาคนี้ คือ เซนเซอร์ที่ทำจากซิลิคอน ซึ่งจะผลิตสัญญาณไฟฟ้าเมื่อมีอนุภาคพลังงานสูงพุ่งผ่าน แต่เนื่องจากเซนเซอร์เหล่านี้เป็นเซนเซอร์ที่ออกแบบขึ้นมาเป็นการเฉพาะ ด้วยเทคโนโลยีแบบใหม่
ดังนั้น จึงมีความจำเป็นที่จะต้องทดสอบและศึกษาคุณลักษณะของเซนเซอร์เหล่านี้ ด้วยอนุภาคที่ใกล้เคียงกับอนุภาคที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลองของ ALICE ณ สถานีทดลองลำอนุภาคต่าง ๆ ทั่วโลก

อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคที่ระบบ ITS  ของ  ALICE    อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคที่ระบบ ITS ของ  ALICE ประกอบด้วย  pixel detector รวมทั้งหมดประมาณ 12,500 ล้าน Pixel หรือ คิดเป็นพื้นที่โดยรวม 10 ตารางเมตร โดยมีส่วนประกอบที่สำคัญ คือ

   1)  Pixel detector ทำหน้าที่ส่งสัญญาณเมื่อมีอนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้รองรับการตรวจจับและการส่งข้อมูลด้วยอัตราเร็วสูง

   2)  ส่วนของโครงสนับสนุนที่สร้างจากคาร์บอนไฟเบอร์น้ำหนักเบา ที่ออกแบบมาให้ใช้ปริมาณวัสดุในจำนวนจำกัด แต่ยังคงความแข็งแรงเพื่อการสนับสนุนทางกายภาพ

3) แผ่นลดอุณหภูมิทำหน้าที่รับความร้อนจาก pixel chip โดยความร้อนจะถูกกำจัดผ่านท่อความเย็นหรือระบบ microchannel ที่มีของเหลวทำความเย็นไหลเวียนอยู่

ความรับผิดชอบของหน่วยงานต่าง ๆ ในประเทศไทย

1) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี (Suranaree University of Technology, SUT)

การปรับปรุงหัววัด ITS ต้องใช้เทคโนโลยีเซนเซอร์ (CMOS particle detectors) ที่มีขนาดบางระดับไมโครเมตร มีความไวสูง และมีความทนทานต่อความเสียหาย หรือการทำงานผิดปกติ ที่อาจจะเกิดจากการรับรังสีปริมาณมาก (radiation hardness) และสมรรถนะที่สูงของเซนเซอร์นี้ทำให้อัตราการใช้ไฟฟ้าและพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นก็สูงตามไปด้วย การออกแบบเซนเซอร์ให้สามารถทำงานได้ในสภาวะดังกล่าว จึงมีความจำเป็นต้องพิจารณาระบบระบายความร้อนของเซนเซอร์ประกอบด้วย โดยก่อนการผลิตเซนเซอร์ต้นแบบ นักวิจัยต้องออกแบบและจำลองผลการทำงาน เพื่อให้ได้เซนเซอร์ที่มีความสามารถตรงตามวัตถุประสงค์

นอกจากนั้น เมื่ออนุภาคชนิดต่าง ๆ ที่เกิดจากการชนของอนุภาคที่จุดอันตรกิริยา (interaction) เคลื่อนที่ผ่านหัววัด  รูปทรงของหัววัดที่ประกอบด้วย โครงสนับสนุนและระบบระบายความร้อน จะมีผลต่อทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค และการสูญเสียพลังงานของอนุภาค ซึ่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีรับผิดชอบการทำแบบจำลองเหตุการณ์หลังการชนของอนุภาค โดยพิจารณารูปทรงแบบเรขาคณิตที่สร้างขึ้น และคำนวณค่า Material Budget จากข้อมูลวัสดุจริงที่ใช้ประกอบขึ้นเป็นหัววัด เพื่อคัดเลือกรูปทรงของหัววัดที่เหมาะสมที่สุดก่อนที่จะนำไปสร้างจริง

ยิ่งไปกว่านั้น ยังได้ทดสอบการอ่านค่าสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ก่อนและหลังรับรังสีปริมาณสูง ร่วมกับสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน และศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อศึกษาผลการทำงานของเซนเซอร์ว่าได้ผลตรงตามที่ออกแบบและจำลองไว้หรือไม่ ถัดมาจึงได้เข้าไปมีส่วนร่วมในการทดสอบการทำงานของหัววัดหลังจากที่ได้มีการประกอบและติดตั้งเซนเซอร์ลงบนโครงสร้างอื่น ๆ และเชื่อมต่อสายสัญญาณเพื่อรับ–ส่งข้อมูลไปยังระบบคอมพิวเตอร์เพื่อคัดกรองและบันทึกผล

ในเฟสสุดท้ายจะเข้าไปมีส่วนร่วมในการทดสอบการทำงานอย่างเต็มระบบของหัววัด ITS และ การติดตั้งในอุโมงค์ของอลิซ พร้อมทั้งศึกษาประสิทธิภาพของหัววัด ITS ใหม่นี้ เปรียบเทียบกับตัวเก่าในการวัดปริมาณทางฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน ชนิดที่มีควาร์กชนิด charm เป็นองค์ประกอบ

2) สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (SLRI) 

มีการริเริ่มสร้างสถานีทดลองลำอนุภาคของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ขึ้นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งในความร่วมมือระหว่างสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนและเซิร์น สถานีทดลองลำอนุภาคได้รับการออกแบบให้สามารถผลิตลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานระหว่าง 40 MeV–1.2 GeV และมีความเข้มของลำอิเล็กตรอนตั้งแต่ 1–2 ตัว (ของอิเล็กตรอน) ไปจนถึงหลายพันล้านตัวต่อรอบการผลิต เนื่องจากลำอิเล็กตรอนและระบบลำอิเลียงอิเล็กตรอนที่นำมาใช้งานนี้ เป็นส่วนหนึ่งของระบบเติมเต็มอิเล็กตรอนให้กับส่วนกักเก็บอิเล็กตรอน เพื่อผลิตแสงซินโครตรอน ดังนั้น ความเข้มของลำอิเล็กตรอนที่ผลิต และส่งผ่านในระบบนี้จึงมีค่ามาก และไม่สามารถนำมาใช้ในการทดสอบคุณลักษณะของเซนเซอร์ สำหรับการยกระดับระบบติดตามอนุภาคภายในได้

ดังนั้น เพื่อให้สถานีทดลองอนุภาคสามารถผลิตลำอิเล็กตรอนที่ต้องการได้ ทางสถาบันฯ จึงจำเป็นต้องปรับปรุงระบบลำเลียงอนุภาคที่ใช้ในปัจจุบั นและติดตั้งระบบลดความเข้ม หรือจำนวนของอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ระบบลดความเข้มของลำอิเล็กตรอนนี้ประกอบด้วยแท่งโลหะทังสเตน ที่มีลักษณะเป็นรูปลิ่ม ซึ่งช่วยในการปรับเข้มเข้มของลำอิเล็กตรอนที่ถูกส่งผ่านไปยังสถานีทดลองลำอนุภาค ลำอิเล็กตรอนที่ใช้ในการทดสอบเพื่อศึกษาคุณลักษณะของเซนเซอร์จะมีพลังงานเท่ากับ 1.0–1.2 GeV และมีความเข้มของลำอิเล็กตอนที่น้อยกว่า 5 ตัวต่อรอบการผลิต

     เมื่อได้ลำอิเล็กตรอนที่มีลักษณะตามที่ต้องการแล้ว จะมีการนำลำอิเล็กตรอนนี้ไปใช้ในการทดสอบเซนเซอร์ โดยการบังคับให้ลำอิเล็กตรอนพุ่งเข้าชนชุดทดสอบ ซึ่งประกอบด้วยเซนเซอร์ 7 ชั้น โดยเซนเซอร์ชั้นที่ 4 ซึ่งอยู่ตรงกลาง เป็นชั้นที่เราต้องการทดสอบ ส่วนอีก 6 ชั้นที่เหลือ (ชั้นที่ 1–3 และชั้นที่ 5–7) จะเป็นชั้นที่ใช้สำหรับอ้างอิงเส้นทางของอนุภาคอิเล็กตรอน จากการทดสอบเซ็นเซอร์ด้วยลำอิเล็กตรอนที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการพบว่า ประสิทธิภาพของเซนเซอร์ที่จะใช้ในการยกระดับระบบติดตามภายใน มีค่ามากกว่า 99% ซึ่งสอดคล้องความต้องการที่ได้ออกแบบไว้ตอนเริ่มต้น

     3) ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (Thai Microelectronics Center, TMEC)

     ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์หรือ TMEC เข้ามามีส่วนร่วมในส่วนของการจำลองการทำงานของ pixel detector ด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ การตรวจสอบแผ่นผลึกฐานรองซิลิคอนที่มีความต้านทานสูง ที่ใช้ผลิต pixel detector และการสร้างระบบ Microchannel Heat Exchanger ด้วยกระบวนการสร้างไมโครชิป

     การจำลองการทำงานของ pixel detector ด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

     Pixel detector มีหน้าที่ในการตรวจจับอนุภาค โดยเมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ชนหรือผ่าน pixel จะเกิดสัญญาณไฟฟ้า ส่วนหนึ่งของเป้าหมายของการออกแบบ pixel detector คือ การสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่แตกต่างจากสัญญาณรบกวนอย่างชัดเจน ซึ่งมีตัวแปรที่ใช้ออกแบบหลายแบบ เช่น ขนาด ระยะห่างจากบริเวณรอบข้าง ความลึกของรอยต่อ ความเข้มข้นของสารเจือ ฯลฯ ทำให้มีความจำเป็นต้องใช้การจำลองโดยคอมพิวเตอร์ เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรดังกล่าว กับสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้น โดย TMEC เข้าไปมีส่วนร่วมในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ที่ช่วยลดเวลาในการคำนวณลง ทำให้สามารถศึกษาความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ละเอียดขึ้น และนำไปสู่การเลือกตัวแปรที่ส่งผลต่อสัญญาณไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญต่อไป

     การตรวจสอบแผ่นผลึกฐานรองซิลิคอนที่มีความต้านทานสูงที่ใช้ผลิต pixel detector

     ในการออกแบบ pixel detector สำหรับระบบตรวจจับอนุภาค มีปัจจัยและตัวแปรจำนวนมากที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติการเก็บรวบรวมประจุ และประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ โดยเฉพาะค่าสภาพความต้านทาน และค่าความหนาของชั้นตรวจจับอนุภาค ทาง TMEC เข้ามามีส่วนร่วมในการศึกษาคุณสมบัติของแผ่นผลึกฐานรองซิลิคอนที่มีความต้านทานสูง ทั้งก่อนและหลังผลิตเป็น pixel detector โดยใช้เครื่องมือวัดภายในศูนย์ฯ เพื่อตรวจสอบค่าสภาพความต้านทาน และความหนาของชั้นตรวจจับอนุภาค โดยจะมีการนำข้อมูลการวัดที่ได้ไปใช้เพื่อปรับเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยคอมพิวเตอร์ ทั้งนี้เพื่อการทำนายการทำงานของเซนเซอร์ การปรับปรุงคุณลักษณะทางไฟฟ้า และความทนทานต่อการแผ่รังสีที่ดีขึ้น

     การสร้างระบบ Microchannel Heat Exchanger ด้วยกระบวนการสร้างไมโครชิป

     ในแต่ละการทดลองของสถาณี ALICE มีความจำเป็นต้องส่งข้อมูลจำนวนมหาศาลในเวลาเสี้ยววินาที ส่งผลให้เกิดความร้อนและอุณหภูมิที่สูงขึ้นตามมาด้วย มีผลทำให้ประสิทธิภาพการประมวลผลลดลง จึงจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม โดยระบบระบายความร้อนต้องมีผลกระทบกันการเดินทางของอนุภาคให้น้อยที่สุด
นักวิจัย CERN จึงร่วมมือกับทาง TMEC ในการออกแบบและสร้างชิประบบระบายความร้อน โดยสามารถสร้างเป็นระบบที่มีท่อจำนวนมาก โดยแต่ละท่อจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเท่าเส้นผม ทำให้ประสิทธิภาพในการพาความร้อนสูงขึ้นกว่าเดิม ซึ่งจากการทดสอบโดย CERN พบว่า ต้นแบบนี้มีศักยภาพเพียงพอที่จะถูกพัฒนาต่อไปให้ใช้ร่วมกับ pixel detector ในอนาคตได้

     4) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (King Mongkut’s University of Technology Thonburi, KMUTT) 

     การเตรียมการอัปเกรดเครื่องตรวจจับอนุภาคของการทดลอง ALICE ของ CERN ในปี ค.ศ. 2021 จะทำให้ระบบสามารถตรวจจับการชนกันของอนุภาค Hadron ขนาดใหญ่ด้วยอัตรามากถึง 50 KHz ซึ่งทำให้มีการอัปเกรดระบบการคำนวณที่ใช้ในการทดลอง ALICE ที่มีชื่อว่า Online-Offline Computing System หรือ ระบบ O2 โดยที่แนวคิดของกรอบการทำงานของระบบคำนวณดังกล่าว ประกอบด้วยการนำการสร้างการชนกันขึ้นมาใหม่แบบออนไลน์ และการเก็บข้อมูลของการชนที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดไปจัดเก็บข้อมูลอย่างถาวร

     วัตถุประสงค์หลักของระบบนี้ คือ ทำให้สามารถประมวลผลด้วยอัตราเร็วสูงสุดบนแพลตฟอร์มการคำนวณที่มีความแตกต่างกัน ทีมนักศึกษาและอาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) ได้มีส่วนความรับผิดชอบในการออกแบบ การควบคุม (Control) การปรับแต่ง (Configuration) และการเฝ้าสังเกต (Monitoring) หรือ เรียกโดยย่อว่า CCM

     ในส่วนของการควบคุม ทางทีม มจธ. ได้มีส่วนร่วมในการออกแบบและพัฒนาต้นแบบของส่วนการควบคุมตามความต้องการที่ได้จาก ALICE โดยต้นแบบสามารถส่งคำสั่งไปยังโพรเซสที่กำลังทำงานอยู่ เพื่อที่จะเปลี่ยนเงื่อนไขและความต้องการในการทำงานได้ นอกจากนี้ ส่วนควบคุมต้องรองรับคำสั่งพื้นฐาน เช่น การหยุดการทำงานชั่วคราวของโพรเซส การกลับมาทำงานของโพรเซส การยกเลิกการทำงานของโพสเซส และการอยู่ในสถานะพร้อมทำงานของโพรเซส

     นอกจากนี้ทางทีม มจธ. ได้วิเคราะห์เวลาที่จะตอบสนองต่อการควบคุมโพรเซสในระบบ O2  เมื่อมีจำนวนเครื่องในคลัสเตอร์หรือโพรเซสเปลี่ยนไปในอนาคตอีกด้วย

     ในส่วนของการปรับแต่ง มุ่งเน้นไปที่การออกแบบระบบการปรับแต่งค่า โดยระบบการปรับแต่งค่าต้องสามารถรองรับการปรับค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ทั้งของโพรเซส และสภาวะแวดล้อมได้ในขณะประมวลผล โดยอาศัยการตรวจดูสถานะของเครื่องประมวลผลที่ร่วมในการคำนวณ ทั้งนี้การปรับค่าต้องสามารถทำได้ด้วยมือและแบบอัตโนมัติ เพื่อให้มีประสิทธิภาพและความสามารถในการประมวลผลที่สูงขึ้น รวมทั้งสามารถใช้งานเครื่องประมวลผลในคลัสเตอร์ได้อย่างเต็มที่ ซึ่งทางทีมมจธ. ได้ทดลองการปรับค่าพารามิเตอร์แบบอัตโนมัติแล้วพบว่า ประสิทธิภาพในเชิงการตอบสนองด้านเวลา เมื่อมีการปรับแต่งพารามิเตอร์ จะขึ้นอยู่กับจำนวนเซิร์ฟเวอร์ จำนวนโพรเซส และจำนวนพารามิเตอร์ที่ต้องปรับแต่ง เป็นหลัก

     จากการทดลองดังกล่าว ทำให้สามารถสร้างสมการคณิตศาสตร์ที่จะช่วยทำนายเวลาในการตอบสนองหลังการปรับแต่งพารามิเตอร์ ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ เพื่อตัดสินใจจะยอมรับการปรับแต่งและเวลาในการตอบสนองนี้หรือไม่ต่อไป

     ในส่วนของการเฝ้าสังเกต เครื่องมีหน้าที่รวบรวมข้อมูลของเครื่องในระบบ O2 รวมถึงการระบุรูปแบบการทำงานที่ผิดปกติ โดยใช้ข้อมูลทรัพยากรของเครื่องในระบบ (เช่น การใช้งาน CPU การใช้หน่วยความจำการใช้งานดิสก์ I / O ฯลฯ ) ซึ่งข้อมูลดังกล่าวจะต้องรวบรวมผ่านระบบการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ เพื่อใช้สำหรับการระบุความล้มเหลวของเครื่องได้อย่างทันท่วงที แต่อย่างไรก็ตาม ระบบเฝ้าระวังเครื่องที่มีอยู่ในปัจจุบัน ไม่สามารถระบุความล้มเหลวได้ทันที รวมถึงความล้มเหลวที่พบในภายหลัง มักจะแก้ไขได้ยาก และมีค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษาแพง ดังนั้นทางทีม มจธ. จึงเสนอกรอบการเฝ้าระวังและตรวจสอบความล้มเหลวของเครื่องเชิงรุก สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง ระบบเฝ้าระวังที่นำเสนอนั้นใช้ Elasticsearch-Logstash-Kibana (ELK) ทำหน้าที่รวบรวมข้อมูลจากระบบการคำนวณแบบกระจาย และตรวจสอบความล้มเหลว โดยใช้เทคนิคการเรียนรู้ของเครื่องด้วยวิธี Support Vector Machine (SVM)

     จากการทดลองพบว่า ระบบที่พัฒนาขึ้นสามารถให้ความแม่นยำสูงสุดถึง 90% ซึ่งระบบดังกล่าวจะช่วยให้การดูแลรักษาเครื่องของ O2 มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น

     ความสำเร็จและแผนการนำไปติดตั้ง 

     ระบบ ITS ที่ได้รับการปรับปรุงแล้วจะถูกนำมาติดตั้งและทดสอบที่ห้องปฏิบัติการ ALICE ITS บนภาคพื้นดินเพื่อทดสอบการทำงานอย่างเต็มรูปแบบ ก่อนที่จะถูกนำลงไปติดตั้งยังบริเวณชั้นใต้ดินในปลายปี พ.ศ. 2563  ซึ่งการปรับปรุงนี้จะสามารถช่วยให้ ALICE ตรวจจับปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นหลังการชนของไออนหนักได้ละเอียดมากขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่เกิดขึ้นแล้วสลายตัวไปภายในเวลาเสี้ยววินาทีที่สั้นมาก ๆ

 แสดงแถบรองรับเซนเซอร์ (stave)ที่นำมาประกอบเป็นครึ่งของทรงกระบอกในละชั้นของระบบตรวจวัดทางเดินของอนุภาคด้านใน (Inner Tracking System, ITS)