นิวทริโน อนุภาคข้ามจักรวาล ผ่าทะลุโลก : Neutrinos [หน้า 2/2]

นิวทริโน อนุภาคข้ามจักรวาล ผ่าทะลุโลก : Neutrinos [หน้า 2/2]

ภาพจาก Super-Kamiokande events

การสำรวจตรวจจับ สืบค้น Neutrinos อนุภาคหลายชนิด ที่มาพร้อมๆกับ Cosmic rays (รังสีจักรวาล) รวมทั้ง Neutrinos มีความสามารถเคลื่อนตัว ด้วยความเร็วในสููญญากาศ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที เป็นเรื่องยากที่จะตรวจจับ แต่หากอนุภาคเหล่านั้นวิ่งผ่านน้ำ จะทำให้ความเร็วลดลงได้ 70% ด้วยการชะงัก (Shock front) ทันทีพร้อม กับถ่ายพลังงานออกรอบๆ เป็นรูปกรวย จึงเป็นวิธีขั้น พื้นฐานในการดักจับเพื่อถ่ายภาพ หรือวัดหาค่าพลังงาน มีโครงการที่น่าสนใจ เช่น Super-Kamiokande -------------------- สถานที่ : ทางตอนเหนือของเมือง Nagoya, Japan ปริมาณการตรวจวัด : 50,000 ลบ.เมตร เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.1996- ความสามารถระดับมุม : 26 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(8)~10(12) eV เป็นต้นแบบของการตรวจจับ Cosmic Ray (รังสีจักรวาล) และสำรวจตรวจตรา Neutrino oscillations (การแกว่งไกวของนิวทริโน) ต่อโลก โดยวิธี Photo- detectors line (ถ่ายภาพตรวจจับวิถีตั้ง) เริ่มเก็บข้อมูล ตั้งแต่ ค.ศ. 1996 เป็นต้นมา มีความสามารถการตรวจจับ ประเภท Solar neutrinos (นิวทริโนดวงอาทิตย์) Atmospheric neutrinos (นิวทริโนในชั้นบรรยากาศ) Man-made neutrinos (นิวทริโนจากฝีมือของมนุษย์) นอกจากนั้นยังสามารถตรวจจับ Supernova neutrinos (นิวทริโนจากซูเปอร์โนวา) ได้ สิ่งที่สำคัญคือ การรู้ว่า Matter and energy (มวลสสารและพลังงาน) ในจักรวาล มีขนาดใหญ่มหาศาลมาก โดยเฉพาะสสารมืด (Dark matter) มีปริมาตรถึง 23% ของจักรวาล และไม่เปล่งแสงให้เห็น แต่สามารถสำรวจได้ภายใต้แรงโน้มถ่วง ดังนั้น หากการสำรวจเพื่อเข้าใจอนุภาคใหมได้่ สามารถที่จะเชื่อมโยงไปสู่โครง สร้างของจักรวาล และทำให้ทราบถึงมาของจักรวาล จึงมีเป้าหมายสำคัญต่อการ สำรวจอนุภาคในเชิงฟิสิกส์ (Observational particle physics) จากห้องทดลอง ปฎิบัติการใต้ดิน ของ Super-Kamiokande โดยโครงสร้างเป็นแทงค์ขนาดใหญ่ ใต้ดินของเหมืองเก่า (ใต้ภูเขา Ikenoyama) บรรจุน้ำบริสุทธิ์ (Ultra pure water) จำนวน 50 ล้านลิตร มีพื้นที่รวมเท่าสระน้ำ ใหญ่ มาตรฐานโอลิมปิครวม ถึง 20 สระ บนชั้นพื้นด้านล่างและโดยรอบเป็นหิน แข็งหนา 1 กม. ภายในแทงค์มีแสงไฟ Blue light เรียงกันเป็นแถวเป็นชั้นจำนวน มากหลายพันชุด และระบบถ่ายภาพเชิงซ้อน 13,000 ชุด เพื่อเป็นอุปกรณ์ต่อ การสำรวจดังกล่าว

โครงสร้างแผนผังของ Super-Kamiokande เหมืองเก่าใต้ภูเขา Ikenoyama ยาว 1.5 กม.

ภายในของแท็งค์ขนาดใหญ่ของ Super-Kamiokande เมื่อบรรจุน้ำ

ชั้นใต้แทงค์ของ Super-Kamiokande (เมื่อไม่มีน้ำ)

The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory --------------------------------------------- สถานที่ : ทางตอนใต้ของ Mendoza ,Argentina ปริมาณการตรวจวัด : 30,000 ลบ.กิโลเมตร (แบบค้นหา)                           : 20,000 ตรม. (แบบตรวจจับจากพื้นดิน) เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.2004- ความสามารถระดับมุม : 0.05-2 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(17)~10(21) eV มีเป้าหมายเพื่อศึกษา Ultra-high energy cosmic rays (รังสีจักรวาลชนิดพลัง งานสูงสุด) และ High energy neutrino (นิวทริโนพลังงานสูง) เป็นกลุ่มอนุภาค ที่สร้างพลังงาน ในจักรวาลและหลุดพ้นเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลก ซึ่งแสดง ตัวโปรยปราย จำนวนมากในอากาศนับปริมาตรเป็นพันล้าน โดยวิธี Primarily a cosmic ray detectors (การตรวจจับรังสีจักรวาลแบบพื้นฐาน) เพื่อนำผลมาวิเคราะห์ และให้เข้าใจต่อรังสีจักรวาล ทั้งใน ประเภทพลังงานต่ำ ปานกลาง และพลังงานสูงสุดขั้ว อันยังหลงเหลือค้าง อย่างลึกลับในจักรวาล และมีแนวคิดที่ต้องการคำตอบ ต่อข้อสงสัย ว่าอนุภาคบางชนิดเหตุใดจึงมีพลัง งานมหาศาลอย่างน่าตกใจ จากการเกิดขึ้นของหลุมดำ หรือจากการเกิดขึ้นของ ดาวที่ระเบิดและพังทะลาย หรือจากการเกิดชนกันของกาแล็คซี่ ซึ่งจำเป็นต้อง หาคำตอบไปทีละขั้น ด้วยการสืบค้นจากอนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ โดยการตรวจจับพบ อนุภาครังสีจักรวาล (Cosmic ray particles) มีพลังงานราว 1,000,000 Electron volts ต่อทุกๆขนาด 1 ตรม.พุ่งเข้าสู่โลก จากการวัดค่า โดยสถานนีตรวจจับ Cosmic rays แบบ Surface detector station (ตรวจจับ จากพื้นดิน) ใช้แทงค์น้ำขนาดเล็ก 1,600 สถานี รวมเป็นโครงข่ายมีพื้นที่ ครอบ คลุมราว 3,000 ตารางกิโลเมตร

ตำแหน่งสถานีเครือข่ายตรวจจับ ภาคพื้นดิน 1,600 แห่ง

แบบแผนสถานนีตรวจจับ Cosmic rays แบบ Surface detector station

1 ในจำนวน 1,600 สถานนีตรวจจับ Cosmic rays ของ Pierre Auger Cosmic Ray Observatory

Antarctic Impulse Transient Antenna ----------------------------------------- สถานที่ : Williams Field, McMurdo Station, Antarctica ปริมาณการตรวจวัด : 1,500,000 ตร.กิโลเมตร เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.2006-2007 และ 2008-2009 ความสามารถระดับมุม : 1-2 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(17)~10(21) eV โครงการเฉพาะกิจ ใช้บอลลูนตรวจจับ ในระดับความสูง 123.000 ฟิต (~ 37 กม.) เพื่อตรวจตราแบบ Scan radio waves (ตรวจละเอียดด้วยคลื่นวิทยุ) คราวละ 35 วัน ซึ่งสามารถสืบค้นร่องรอยของ High energy neutrino (นิวทริโนพลังงานสูง) ที่ชนปะทะกับบริเวณแผ่นน้ำแข็ง (Ice sheet)

ANITA Open balloon (zero pressure) น้ำหนักรวม 2,619 กก. เพื่อสืบค้น High energy neutrino

Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research (ANTARES) ----------------------------------------------- สถานที่ : Mediterranean sea, Toulon, France ปริมาณการตรวจวัด : 0.05 ตร.กิโลเมตร เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.2008- ความสามารถระดับมุม : 0.3 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(17)~10(21) eV เป็นการออกแบบ อุปกรณ์ติดตั้งในทะเลลึก 2.5 กม.เพื่อการตรวจจับ High energy neutrinos (นิวทริโนพลังงานสูง) โดยแขวนห้อยชุด Photo-detectors (ถ่ายภาพตรวจจับ) เป็นแนวตั้งกับสายที่ทอดสมอไว้กับพื้นทะเล ชุดละ 20 เส้น แต่ละเส้น มีความยาวเส้นละ 350 เมตร เป้าหมายเพื่อเป็นหน้าต่างใหม่ มองออกไปยังจักรวาล ยึดหลักด้วยการทดลอง ใช้อนุภาค Neutrinos เป็นเครื่องมือในการศึกษา กลไกพลังงานในวัตถุทาง ดาราศาสตร์ เช่น จุดศูนย์กลางของกาแล็คซี่ การแตกระเบิดของ Gamma-ray ทั้งหมดเป็น Ultra-high energy cosmic rays (รังสีจักรวาลชนิดพลังงานสูงสุด) และการตรวจจับ Neutrinos ในขอบเขตสนามแรงโน้มถ่วง จากแกนภายในของ โลกและดวงอาทิตย์ และ Neutrino oscillations (การแกว่งไกวของนิวทริโน) ในชั้นบรรยากาศ ที่สามารถวัดเพื่อการศึกษา สเปคตัมของพลังงาน

ชุดอุปกรณ์ของ ANTARES Telescope

ชุด Optical module และ Antares eyes เป็นส่วนประกอบ แบบแผนการติดตั้งใต้ทะเล

IceCube Neutrino Observatory -------------------------------- สถานที่ : South pole ปริมาณการตรวจวัด : 1 ตร.กิโลเมตร เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.2011- ความสามารถระดับมุม : 1-2 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(11)~10(21) eV อุปกรณ์สำคัญทั้งหมดอยู่ในโพรงน้ำแข็ง ซึ่งมีขนาดใหญ่ โดยการใช้น้ำร้อนเจาะ ลึกลงไปกว่า 2.5 กม. ซึ่งในโพรงจะห้อยแขวน ชุด Light-sensitive detectors (ตรวจจับด้วยความไวแสง) จำนวนทั้งสิ้น 86 ชุด การขยายภาพมองเข้าไปภายใน IceCube neutrino telescope ต้องใช้วิธี SketchUp (3-D sketching software) ซึ่งประกอบไปด้วยระบบกล้อง Digital optical แขวนเรียงกันลงไป มากกว่า 20 ชั้น ทั้งหมดเป็นโครงข่ายมีพื้นที่ครอบ คลุมบนพื้นผิว 1 ตร.กิโลเมตร ( 1 ตร.กม.มีน้ำแข็งหนัก 1 ล้านตัน) ความอ่อนแอของ Neutrino เกิดขึ้นเมื่อมีปฎิสัมพันธ์กับมวล ดังนั้นข้อมูลที่นำ มากจากนอกอวกาศจึงไม่สมบูรณ์ แต่ Neutrino ที่ผุดขึ้นออกมาจากภายในส่วน ลึกอาจยังไม่ถูกแทรกแซง หรือรบกวน สำหรับ IceCube Neutrino Observatory จึงไม่ได้ตรวจจับ Neutrino ภายใต้ เงื่อนไข พื้นที่สนามแม่เหล็กระหว่างดวงดาว (Interstellar magnetic fields) และเป็นพื้นที่ปราศจากการดูดกลืนรังสี (ชั่วคราว) จากสสาร อย่างไรก็ตาม โดยพฤติกรรม Neutrino มีความยากยิ่ง ต่อการที่จะให้ตรวจจับได้ ง่ายๆ แม้ว่าจะมีเครื่องมือใหญ่โต ครอบคลุมพื้นที่เป็นจำนวนมากก็ตาม

ระดับความลึกและขนาดพื้นที่

แบบแผนการติดตั้งอุปกรณ์ของ IceCube Neutrino Observatory

ช่องโพรงน้ำแข็งที่เจาะลงไป เพื่อห้อยอุปกรณ์

Digital Optical Modules (DOMs) ถูกติดตั้งไว้ด้านบน

พื้นที่ด้านบนของ IceCube Neutrino Observatory

Extreme Universe Space Observatory (EUSO ) ---------------------------------------------------- สถานที่ : The International Space Station (ISS) ปริมาณการตรวจวัด : 1,000,0000 ตร.กิโลเมตร (ในอากาศ)                           : 1,000 ตร.กิโลเมตร (ในพื้นน้ำแข็ง) เริ่มโครงการเมื่อ : ค.ศ.2015 ความสามารถระดับมุม : 1-2 องศา ขอบเขตระดับพลังงานที่ตรวจจับ : 10(19)~10(21) eV เป้าหมายหลักเพื่อการสำรวจ ทดลองและค้นหา Highest energy cosmic rays (รังสีจักรวาลชนิดพลังงานสูง) และ Neutrinos โดยใช้ Ultraviolt telescope เพื่อ ตรวจสอบการเปลี่ยนของอนุภาค บนชั้นบรรยากาศโลก โดยติดตั้ง JEM-EUSO เครื่องมือออกแบบพิเศษ โดยชาวญี่ปุ่น สามารถที่จะสำรวจในพื้นที่ที่มีปริมาตร ใหญ่ๆ ในอากาศได้ จากสถานีอวกาศสากล โคจรอยู่เหนือผิวโลกราว 400 กม.

การทำงานของ JEM-EUSO โดยติดตั้งบนสถานีอวกาศสากล

ความหวังที่อาจพบกับขุมทรัพย์มหาศาล แน่นอนว่า Neutrino คงไม่ใ่้ช่อนุภาคธรรมดา เป็นอนุภาคที่มีศักยภาพสูง และ มีจำนวนมากกว่าอนุภาคใดๆ ความสำคัญอีกประเด็นอีก เป็นอนุภาคเก่าแก่ที่ยัง คงอยู่ หากมนุษย์มีหนทางศึกษาทำความเข้าใจได้ เชื่อว่า Neutrino อาจเป็น เงื่อนไขใหม่ สำหรับแหล่งพลังงาน หรือ การนำพาเทคโนโลยี ข้ามมิติได้อย่าง อัศจรรย์ อีก 100 - 200 ปีข้างหน้า

References : The Nobel Foundation Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo Extreme Universe Space Observatory (EUSO ) IceCube Neutrino Observatory Antarctic Impulse Transient Antenna Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research (ANTARES) The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory