หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 3

อนาคตของหอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์
          ไอซ์คิวบ์ได้ทำงานเก็บข้อมูลอย่างต่อเนื่องยาวนานตั้งแต่ปี ค.ศ. 2013 เป็นต้นมา เพื่อตรวจวัดนิวทริโนพลังงานสูงระดับ 10  PeVซึ่งเป็นเล็ปตอน (lepton) ที่มีพลังงานสูงสุดเท่าที่นักวิทยาศาสตร์เคยตรวจพบได้  ที่ไม่เพียงแต่เป็นการเปิดประตูบานใหม่ของมนุษยชาติด้านดาราศาสตร์เท่านั้นแต่ยังนำไปสู่การค้นพบใหม่ทางด้านฟิสิกส์ของอนุภาคพลังงานสูง เช่น ฟิสิกส์แนวใหม่ที่ไปไกลกว่าแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค (beyond standard model of particle physics) 


          แม้ว่าไอซ์คิวบ์จะประสบความสำเร็จอย่างมาก ทั้งในแง่ของการระบุแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกพลังงานสูงนอกกาแล็กซี อย่างเบลซาร์ TXS 0506+056 ได้ และสามารถแจ้งเตือนการตรวจพบนิวทริโนจากแหล่งกำเนิดซุปเปอร์โนวาในกาแล็กซีทางช้างเผือกที่สอดคล้องกับการตรวจพบจากสถานีอื่น ๆ แต่อย่างไรก็ตามยังมีแหล่งกำเนิดของคอสมิกนิวทริโนที่รอการค้นพบอีกเป็นจำนวนมากที่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือขนาดใหญ่และมีความไวในการตรวจจับมากกว่าไอซ์คิวบ์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน จึงนำไปสู่โครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรด (IceCube Upgrade) และโครงการไอซ์คิวบ์เจนทู (IceCube Gen2)


          ไอซ์คิวบ์อัปเกรดเป็นโครงการริเริ่มระดับกลางของการขยายประสิทธิภาพการตรวจจับนิวทริโนของไอซ์คิวบ์ โดยการเพิ่มเซ็นเชอร์วัดแสงดอม และอุปกรณ์สอบเทียบขั้นสูงกว่าที่มีอยู่จำนวน 750 ดอม เป็นการเพิ่มเส้นลวดสตริงเพิ่มขึ้นอีกจำนวน 7 เส้นระหว่างแกนกลางของไอซ์คิวบ์แถบบริเวณเดียวกับเครื่องตรวจวัดแกนลึก (DeepCore) (แสดงด้วยจุดสีแดงจำนวน 7 จุดในรูปที่ 4) เพื่อร้อยเรียงดอมที่พัฒนาขึ้นใหม่ ให้เพิ่มความหนาแน่นของเซนเซอร์ด้วยการกําหนดให้มีระยะห่างระหว่างดอมน้อยลง ดอมสําหรับโครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรดจะเป็นดอมที่ออกแบบพัฒนาขึ้นใหม่ เรียกว่า พีดอม (pDOM) เอ็มดอม (mDOM) และดอมทรงไข่ (D-Egg) ซึ่งแสดงดังรูปที่ 5
 

          การพัฒนาในครั้งนี้จะช่วยเพิ่มความไวของการตรวจวัด โดยการปรับเพิ่มโฟกัสของนิวทริโนเพื่อให้ได้ความละเอียดที่คมชัดยิ่งขึ้น ซึ่งจะเพิ่มโอกาสในการวัดสมบัติของนิวทริโนพลังงานไม่สูงมาก และการตรวจจับนิวทริโนเทา (tau neutrinos) ที่เป็นผลมาจากการแกว่งกวัดของนิวทริโน อันเป็นกระบวนการทางกลศาสตร์ควอนตัม ผลการตรวจวัดที่เบี่ยงเบนไปจากทฤษฎีปัจจุบันอาจนำไปสู่การค้นพบนิวทริโนชนิดใหม่ที่ยังไม่เคยถูกค้นพบมาก่อน

 

          เพื่อขยายสมรรถนะในการตรวจวัดนิวทริโนพลังงานสูงมากขึ้น โครงการไอซ์คิวบ์จึงวางแผนขยายขนาดเชิงความจุของหอสังเกตการณ์ให้มีขนาดใหญ่กว่าไอซ์คิวบ์รุ่นแรกเป็นอย่างมาก เรียกว่า ไอซ์คิวบ์เจนทู โดยไอซ์คิวบ์เจนทูจะล้อมรอบไอซ์คิวบ์รุ่นแรกด้วยการเพิ่มจำนวนของเส้นลวดสตริงประมาณ 140 เส้น โดยแต่ละเส้นอยู่ห่างกัน 250 เมตร (จากเดิมห่างเพียง 125 เมตร) โดยเส้นลวดแต่ละเส้นมีดอมที่ได้รับการออกแบบพัฒนาขึ้นใหม่จำนวน 80 ตัว ดังนั้นจึงมีขนาดเชิงพื้นที่เพิ่มขึ้นประมาณ 10 เท่าจากโครงการปัจจุบันของไอซ์คิวบ์ ภารกิจหลักของไอซ์คิวบ์เจนทูคือการสำรวจนิวทริโนพลังงานสูงที่มีแหล่งกำเนิดมาจากเอกภพ รูปที่ 6 เป็นแบบจำลองการขยายขนาดของไอซ์คิวบ์เจนทู  ซึ่งพื้นที่สีแดงเป็นพื้นที่ที่ระบุขนาดของเครื่องตรวจวัดในปัจจุบัน และพื้นที่สีฟ้าเป็นพื้นที่ที่วางแผนจะขยายออกไป นอกเหนือจากการสำรวจนิวทริโนในย่านพลังงานสูงแล้ว โครงการไอซ์คิวบ์เจนทูยังมีวัตถุประสงค์หลักในการเพิ่มสมรรถนะการตรวจจับรังสีคอสมิกพลังงานสูงพิเศษ (Ultra-High-Energy Cosmic Rays) โดยเชื่อว่าอาจถูกสร้างขึ้นจากแหล่งกำเนิดระยะไกลมากจากภายนอกกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา
             รังสีคอสมิกสามารถมีพลังงานได้สูงสุดถึงประมาณ 10²⁰ eV ในช่วงเวลาฮับเบิล (Hubble time) รังสีคอสมิกพลังงานสูงสุดเหล่านี้จะทำอันตรกิริยากับรังสีไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ (Cosmic Microwave Background Radiation) และผลิตนิวทริโนขึ้น นิวทริโนเหล่านี้เรียกว่านิวทริโนจีซีเค (Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) neutrino) ชื่อนี้มาจากข้อจำกัดทางทฤษฎีของพลังงานของรังสีคอสมิกที่สามารถเดินทางมายังโลกจากแหล่งกำเนิดระยะไกล โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ [11,12] นักวิจัยจะไม่สามารถตรวจพบรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงกว่า 5×10¹⁹ eV ได้ ข้อจำกัดพลังงานนี้ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชื่อ Greisen, Zatsepin และ Kuzmin ซึ่งในปี 1966 ไอซ์คิวบ์เจนทูมีแผนรวมถึงการศึกษารังสีคอสมิกจีซีเคเหล่านี้ด้วยเครื่องตรวจวัดย่านความถี่วิทยุที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับตรวจวัดรังสีคอสมิกพลังงานสูงพิเศษโดยใช้ปรากฎการณ์อาสคาร์ยัน (Askaryan effect) เพื่อศึกษาเกี่ยวกับแหล่งที่มาและสมบัติของรังสีคอสมิก ตลอดจนศึกษาธรรมชาติของเอกภพในยุคแรก ๆ