IceCube ภารกิจตรวจจับนิวตริโนกลางแดนน้ำแข็ง

ขั้วโลกใต้เป็นดินแดนที่หนาวเย็นที่สุดในโลกซึ่งถูกปกคลุมด้วยน้ำแข็งตลอดทั้งปี ความโหดร้ายของภูมิอากาศทำให้ไม่มีใครอยากไปลงหลักปักฐานอยู่อย่างถาวร ดังนั้นผู้คนที่เทียวไปเทียวมาในแผ่นดินน้ำแข็งแห่งนี้จึงมีเพียงนักสำรวจ นักวิทยาศาสตร์ และเหล่านกเพนกวินซึ่งเป็นเจ้าบ้านเท่านั้น


ขั้วโลกใต้ถูกพิชิตอย่างเป็นทางการโดยคณะของ Roald Amundsen นักสำรวจชาวนอร์เวย์ เมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ.1911 และอีกหนึ่งเดือนให้หลังก็ถูกเยือนอีกครั้งโดยคณะของนักสำรวจจากประเทศอังกฤษนามว่า Robert F. Scott จากวีรกรรมเสี่ยงตายท่ามกลางอุณหภูมิติดลบของนักสำรวจทั้งสองส่งผลให้มีการตั้งค่ายเล็ก ๆ ขึ้นเป็นอนุสรณ์ ปัจจุบัน ค่ายชื่อเดียวกันนี้ถูกปรับเปลี่ยนให้เป็นสถานีวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อว่า Amundsen-Scott South Pole Station ซึ่งเป็นทั้งห้องปฏิบัติการณ์และบ้านพักของเหล่านักวิทยาศาสตร์หลายร้อยชีวิตจากหลากหลายสาขา อาทิ ชีววิทยา ธรณีวิทยา ธารน้ำแข็งวิทยา ภูมิอากาศวิทยา สมุทรศาสตร์ รวมถึงนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่แวะเวียนเข้ามาทำงานอยู่เกือบจะตลอดเวลา

ค่าย Amundsen-Scott South Pole Station

สาเหตุที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จำนวนมากพากันมาอยู่ที่นี่เป็นเพราะใกล้ ๆ Amundsen-Scott South Pole Station มีสถานีตรวจจับอนุภาคนิวตริโนที่ล้ำยุคที่สุดแห่งหนึ่งตั้งอยู่ สถานีแห่งนี้คือ The IceCube Neutrino Observatory หรือที่หลายคนนิยมเรียกสั้น ๆ ว่าสถานี IceCube นั่นเอง

อาคารด้านบนของสถานี IceCube

สถานี IceCube ได้รับงบประมาณสนับสนุนหลักจาก National Science Foundation หรือ NSF ของประเทศสหรัฐอเมริกา(งบประมาณในการก่อสร้างทั้งหมดประมาณ 279 ล้านเหรียญ เป็นงบประมาณจาก NSF จำนวน 242 ล้านเหรียญ ส่วนต่างที่เหลือได้รับจากองค์กรอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องในประเทศสหรัฐอเมริกา) โดยเริ่มทำการก่อสร้างในปี ค.ศ.2005 จนกระทั่งแล้วเสร็จในอีก 5 ปีต่อมา นักฟิสิกส์ที่ทำงานที่นี่มีประมาณ 300 คนซึ่งเป็นนักวิจัยจากสถาบันด้านวิทยาศาสตร์จำนวน 50 แห่งจาก 12 ประเทศทั่วโลก โดยมี University of Wisconsin-Madison เป็นผู้นำในการทำวิจัย


สถานี IceCube ประกอบด้วยอาคารรูปทรงแปลกตาตั้งตระหง่านอยู่กลางพื้นน้ำแข็ง รอบอาคารมีสถานีตรวจวัดที่เรียกว่า IceTop ซึ่งทำหน้าที่ตรวจจับรังสีคอสมิก(Cosmic Rays) ที่มาจากขั้วฟ้าใต้ติดตั้งอยู่จำนวน 81 สถานี และลึกลงไปใต้แผ่นน้ำแข็งยังมีเซนเซอร์ตรวจจับอนุภาคนิวตริโนจำนวนมากแอบซ่อนอยู่ด้วย การติดตั้งเซนเซอร์เหล่านี้เป็นงานที่ท้าทายอย่างยิ่งเพราะต้องเจาะผ่านชั้นหิมะ ชั้นน้ำแข็ง และน้ำเย็นยะเยือกที่พร้อมจะแข็งตัวอยู่ตลอดเวลา ทีมงานก่อสร้างต้องเจาะหลุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 เซนติเมตรและลึก 2.45 กิโลเมตรจำนวน 86 หลุม แต่ละหลุมอยู่ห่างกัน 125 เมตร ในหนึ่งหลุมจะมีเซนเซอร์จำนวน 60 อันร้อยเรียงกันเป็นสายยาว โดยแต่ละอันอยู่ห่างกัน 17 เมตร ดังนั้นจึงมีเซนเซอร์รวมกันทั้งหมดถึง 5,160 อันเลยทีเดียว!

โครงสร้างของสถานี IceCube

นิวตริโนเป็นอนุภาคที่ถูกส่งออกมาจากดวงอาทิตย์และแหล่งกำเนิดอื่น ๆ จากทั้งบนโลกและในอวกาศอันไกลโพ้น คุณสมบัติของนิวตริโนคือ มีความเร็วสูง มีสปินเป็นจำนวนครึ่ง มีมวลน้อยมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า สามารถเปลี่ยนแปลงชนิดของตัวเองได้(นิวตริโนมี 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอนนิวตริโน มิวออนนิวตริโน และเทานิวตริโน) และแทบไม่ทำอันตรกิริยากับสสารอื่นเลย หมายความว่าในระหว่างที่คุณกำลังอ่านบทความนี้อยู่ก็มีนิวตริโนจำนวนหลายล้านอนุภาคกำลังพุ่งทะลุตัวคุณไป แต่คุณจะไม่รู้สึกว่าถูกกระแทกเลยสักนิด!


ในความเป็นจริงเราไม่สามารถตรวจจับนิวตริโนได้โดยตรง ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีการทางอ้อมในการตรวจจับมันแทน โดยอาศัยหลักการที่ว่าเมื่อนิวตริโนทำอันตรกิริยากับโมเลกุลของน้ำหรือน้ำแข็ง ผลของอันตรกิริยาจะทำให้เกิดอนุภาคตัวใหม่และปลดปล่อยแสงวาบ(Cherenkov Light) ออกมา แสงวาบดังกล่าวจะกระทบกับหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์(Photomultiplier Tubes) ที่อยู่ภายใน Digital Optical Modules(DOMs) จากนั้นข้อมูลที่ตรวจวัดได้จะถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลส่งกลับมายังหน่วยวิเคราะห์ข้อมูลซึ่งจะทำให้นักฟิสิกส์สามารถรู้ทิศทาง พลังงาน ชนิดของนิวตริโน รวมถึงคาดเดาแหล่งกำเนิดของมันได้

ภาพแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของนิวตริโน

ในด้านคุณประโยชน์ สถานี IceCube มีประโยชน์ในการศึกษาวิจัยทางฟิสิกส์หลายสาขา ได้แก่

1.    Neutrino Astronomy เป็นการศึกษานิวตริโนจากแหล่งกำเนิดต่าง ๆ ที่มาจากแกแล็กซี่ทางช้างเผือกและแกแล็กซี่ภายนอก(Extragalactic Neutrinos)

2.    Cosmic Ray Physics เป็นการศึกษาอนุภาคทุกชนิดที่มาจากอวกาศ ซึ่งสถานี IceCube จะมีเซนเซอร์ตรวจจับมิวออนและนิวตริโนโดยใช้ระบบที่มีชื่อว่า The Antarctic Muon And Neutrino Detector Array หรือ AMANDA

3.    Neutrino Physics เป็นการศึกษาคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของนิวตริโน เช่น แหล่งกำเนิด พลังงาน ชนิด และการแกว่งกวัด(Oscillation) ของนิวตริโน

4.    Multimessenger Astrophysics หมายถึงการศึกษาปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์โดยใช้อุปกรณ์ตรวจวัดหลายเครื่องร่วมกันทำงาน เช่น ดาวเทียม กล้องโทรทรรศน์ และสถานีตรวจวัด ยกตัวอย่างเช่น การระบุแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง รังสีคอสมิก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และนิวตริโนที่มาจากอวกาศ

5.    Dark Matter หรือ สสารมืด หมายถึงสสารที่ไม่ทำอันตรกิริยากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแรงชนิดอื่นนอกจากแรงโน้มถ่วง แต่นักฟิสิกส์เชื่อว่าสถานี IceCube น่าจะสามารถตรวจหาเอกลักษณ์ของนิวตริโนจากการประลัย(Annihilation) ของสสารมืดได้

6.    Glaciology เป็นการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของธารน้ำแข็ง นักวิทยาธารน้ำแข็งที่สถานี IceCube จะทำการศึกษาโครงสร้างของธารน้ำแข็ง ความมั่นคงแข็งแรง การเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง อัตราการละลาย รวมถึงสภาพแวดล้อมในอดีตที่ถูกบันทึกเอาไว้ในชั้นน้ำแข็ง

แม้สถานี IceCube จะสร้างผลงานได้เป็นที่น่าพึงพอใจและมีประโยชน์ต่อวงการฟิสิกส์อย่างมาก แต่นิสัยกระหายความรู้ของเหล่านักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่หยุดอยู่แค่นั้น เพราะพวกเขาวางแผนที่จะสร้าง IceCube-Gen2 ที่มีขนาดใหญ่กว่า IceCube แห่งแรกหลายเท่าในอนาคตข้างหน้า


ล่าสุดเมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ.2018 ที่ผ่านมา สถานี IceCube ก็มีข่าวที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับการตรวจพบนิวตริโนจากหลุมดำ หากผู้อ่านท่านใดสนใจสามารถเข้าไปอ่านข่าวดังกล่าวได้ ในบทความเรื่อง นักดาราศาสตร์พบนิวตริโนพลังงานสูงจากหลุมดำไกลโพ้น ที่เฟซบุ๊กแฟนเพจหรือเว็บไซต์ของสมาคมฟิสิกส์ไทยครับ

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://www.nsf.gov/geo/opp/support/southp.jsp
• [2] https://icecube.wisc.edu/