เครื่องมือวัดอนุภาคนิวทริโนที่ขั้วโลกใต้เสร็จสมบูรณ์แล้ว

รพพน พิชา และ สุวิมล เจตะวัฒนะ
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

นักฟิสิกส์อนุภาคบางคนกำลังตื่นเต้นแบบเด็กผู้ได้ของขวัญคริสมาสต์ชิ้นใหญ่ เพราะเครื่องตรวจวัดอนุภาคนิวทริโน พลังงานสูงได้สำเร็จลงในที่สุด เมื่อวันที่ 18 ธันวาคมนี้ โดยนักวิทยาศาสตร์ได้นำตัวเซนเซอร์กลุ่มสุดท้ายของจำนวน ทั้งหมด 5,160 ตัว ลงสู่ใต้ธารน้ำแข็งของแอนตาร์กติก ด้วยความลึกเกินกว่า 1 ไมล์

ศูนย์ตรวจวัดนิวทริโนไอซ์คิวป์ (IceCube Neutrino Observatory) ซึ่งเป็นความร่วมมือของหลายสถาบัน โดยมี มหาวิทยาลัยแห่งวิสคอนซินเป็นแกนนำนั้น จะไล่ล่าอนุภาคนิวทริโน โดยใช้ระบบการวัดที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก โดยมี นักวิจัยกว่า 400 คนทั่วโลกร่วมมือกันในความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ครั้งนี้

หนึ่งในหลุมที่เจาะลงไปใต้น้ำแข็งของขั้วโลกใต้ เพื่อวางเซนเซอร์ตรวจจับนิวทริโนเมื่อมันทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำแข็ง (รูป: NSF/B. Gudbjartsson)

อาจเป็นสิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่ทราบ แต่นิวทริโนนั้นเป็นอนุภาคที่มีรอบ ๆ ตัวเรา และภายในตัวเราด้วยซ้ำ แต่ตรวจจับ ได้ลำบากมาก เพราะนิวทริโนไม่ทำปฏิกิริยากับใครง่าย ๆ แม้ว่าจะมีนิวทริโนจากท้องฟ้า วิ่งผ่านตัวเรากว่าล้านล้าน อนุภาคในแต่ละวินาที แต่ร่างกายเรานั้นก็ไม่รู้สึกอะไร นิวทริโนเหล่านี้ส่วนใหญ่นั้นถูกสร้างจากการที่รังสีคอสมิก ทำปฏิกิริยากับ ชั้นบรรยากาศบน (upper atmosphere) ของโลก และจากการระเบิดภายในดาวฤกษ์ต่าง ๆ เช่น ดวงอาทิตย์

ไอซ์คิวป์นั้นได้ถูกสร้างขึ้นที่ทวีปแอนตาร์กติก ที่ที่มีอุณหภูมิสูงสุดที่เคยวัดได้ -13.8 องศาเซลเซียส และพื้นที่กว่า 98% ถูกปกคลุมด้วยน้ำแข็ง

ตัวตรวจวัดของไอซ์คิวป์ได้ถูกออกแบบให้ตรวจจับนิวทริโนกลุ่มที่มีพลังงานสูง ซึ่งจะมาจาก AGN (active galactic nuclei) ซึ่งเป็นบริเวณในกาแลกซีที่มีความสว่างและรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูง ซึ่งคาดว่าเกิดจาก หลุมดำ (black hole) ที่ดูดกลืนมวลที่อยู่บริเวณใกล้เคียง และจาก การประทุรังสีแกมมา (gamma ray bursts) ซึ่งเกิดเมื่อ ดาวฤกษ์ยุบตัวกลายเป็นหลุมดำและแผ่ลำรังสีความเข้มสูงออกมา

ศูนย์ตรวจวัดนี้ได้ใช้งบประมาณ 279 ล้านดอลลาร์อเมริกันในการก่อสร้างโดยมี มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Foundation หรือ NSF) ของสหรัฐอเมริกา เป็นผู้ให้การสนับสนุนหลัก การที่ต้องเจาะน้ำแข็งลงไปลึกเกิน กิโลเมตรไม่ใช่เรื่องง่ายเลย โดยหลุมแรกที่เจาะนั้น ใช้เวลาถึง 57 ชั่วโมงทีเดียว ความลึกเฉลี่ยของหลุมที่เจาะนั้นเท่ากับ 2.452 กิโลเมตร ไอซ์คิวป์มีรูปทรงเป็นลูกบาศก์ มีปริมาตร 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร ซึ่งใหญ่กว่า ซูเปอร์คามิโอคานเด (Super-Kamiokande หรือ ซูเปอร์เค) ที่ญี่ปุ่น ถึง 1000 เท่า ไอซ์คิวป์นั้นจะมีสภาพไวต่อนิวทริโนน้อยกว่า ซูเปอร์เค นักวิทยาศาสตร์จะต้องใช้ปริมาตรอันมหาศาลนี้ในการที่จะเห็นเส้นทางการวิ่งของอนุภาคมิวออน ซึ่งเป็นอนุภาค หลงเหลือจากการชนกันของนิวทริโนและนิวเคลียสของน้ำ

ทีมไอซ์คิวป์ที่ขั้วโลกใต้ (2 ธ.ค. 2553) การทำวิจัยที่แอนตาร์กติกไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะเป็นสถานที่ที่หนาวเย็นที่สุด ลมแรงที่สุด และแห้งที่สุดในโลก

ตัวเซนเซอร์ของไอซ์คิวป์ได้ถูกออกแบบให้ตรวจวัดแสงวาบสีฟ้า (รังสีเชเรนคอฟ) เมื่อนิวทริโนชนโมเลกุลน้ำ โดย หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (photomultiplier tubes) จะถูกครอบไว้ในทรงกลมที่เรียกว่า Digital Optical Modules (DOMs) ซึ่งมีส่วนแปลงสัญญานให้เป็นดิจิทัลเพื่อมาวิเคราะห์

ที่ขั้วโลกใต้นั้น น้ำแข็งมีความบริสุทธิ์สูงมาก ดังนั้น แทบจะแน่นอนว่าหากนิวทริโนจะทำปฏิกิริยาสักครั้งในการวิ่งผ่าน น้ำแข็งขนาดใหญ่ ก็น่าจะเป็นการทำปฏิกิริยากับน้ำเท่านั้น นั่นคือสาเหตุสำคัญข้อหนึ่งที่ทีมไอซ์คิวป์เลือกมาทำ การทดลองที่ขั้วโลกใต้นี้ นอกจากนั้น การที่มีหิมะตกมาแต่ละครั้ง ก็จะยิ่งเพิ่มน้ำหนักของน้ำแข็ง อัดให้มีความหนาแน่น ภายใต้พื้นผิวสูงขึ้น จะเพิ่มปริมาณโมเลกุลของน้ำให้นิวทริโนวิ่งชน

ที่ไอซ์คิวป์นั้น ปฏิบัติการวิจัยต่างจากการทดลองทางฟิสิกส์ส่วนใหญ่ นั่นคือ ได้เริ่มเก็บข้อมูลทดลองในระหว่างที่เครื่อง กำลังสร้าง โดยตั้งแต่ ค.ศ. 2005 มา ไอซ์คิวป์ก็ได้พบกับนิวทริโนที่มีพลังงานสูงถึง 100 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (1x10¹⁴ eV) ซึ่งนับเป็น 7 เท่าของพลังงานสูงสุดที่อนุภาคโปรตอนวิ่งชนกันในเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ที่สวิตเซอร์แลนด์

นักฟิสิกส์ดวงดาว มีคำถามหลายข้อให้กับไอซ์คิวป์หาคำตอบในระยะเวลาการปฏิบัติการ 15 ปีต่อจากนี้ ยกตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์เชื่อว่าซูุเปอร์โนวาให้พลังงานกับโปรตอน แต่หลักฐานนั้นค่อนข้างไม่ชัดเจน การที่เห็นนิวทริโนพลังงานสูง ซึ่งควรจะพุ่งออกมาจากการระเบิดนั้นพร้อมกับโปรตอน น่าจะช่วยยืนยันทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการระเบิดของดาวฤกษ์ได้

โฆษกประจำโครงการ ทอม เกสเซอร์ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งเดลาแวร์ในเนวาร์ก กล่าวว่า “มีคนรู้มานานแล้วว่า นิวทริโนนั้นมีอยู่จริง แต่การที่จะมองเห็นได้ ตรวจวัดได้ มีข้อมูลที่ชัดเจนเพื่อตีความ เป็นสิ่งสำคัญที่เราต้องทำ”

นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังได้ตั้งความหวังไว้ว่า จะค้นพบนิวทริโนที่ถูกผลิตขึ้นจากการที่อนุภาคของ สสารดำ (dark matter) สลายภายในดวงอาทิตย์ สสารดำนี้เป็นสสารที่ถูกตั้งสมมติฐานไว้ว่าเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของจักรวาล และมีสัดส่วนที่สูงกว่าสสารปกติที่เรารู้จักกัน แต่มาถึงปัจจุบัน ยังไม่มีใครค้นพบมันเลย
--------------------------------------------
พื้นฐานจากบทความ South Pole neutrino detector complete ของนิตยสารออนไลน์ ScienceNews ฉบับ 21 Dec 2010 โดย Marissa Cevallos
(http://www.sciencenews.org/view/generic/id/67955/title/South_Pole_neutrino_detector_complete)