หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 4

ปรากฏการณ์อาสคาร์ยัน และเครื่องตรวจวัดสัญญาณวิทยุ


           ปรากฏการณ์อาสคาร์ยัน (ถูกค้นพบโดย Gurgen Askaryan ในปี ค.ศ. 1962) เป็นปรากฏการณ์ของการปล่อยคลื่นวิทยุหรือรังสีไมโครเวฟอาพันธ์ โดยอนุภาคพลังงานสูงที่เดินทางเร็วกว่าความเร็วเฟสของแสงในตัวกลางอิเล็กทริกที่มีความหนาแน่นทำให้เกิดการผลิตกลุ่มอนุภาคทุติยภูมิที่มีประจุ ได้แก่ โพสิตรอนและอิเล็กตรอนที่มีความเร็วมากกว่าความเร็วเฟสของแสงในตัวกลาง แต่เนื่องด้วยกระบวนการของการกระเจิงคอมป์ตัมของอิเล็กตรอนร่วมกับการประลัยของอนุภาคโพสิตรอน (positron annihilation) ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้กลุ่มอนุภาคทุติยภูมิเหล่านี้ไม่คงสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (โดยมีประจุลบเกินประมาณ 20%)  ซึ่งกลุ่มอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้จะสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดรังสีเชเรนคอฟ โดยในกรณีของกลุ่มอนุภาคทุติยภูมิที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างนิวทริโนพลังงานสูงกับตัวกลางน้ำแข็ง กลุ่มอนุภาคทุติยภูมิที่มีประจุจากปรากฏการณ์อาสคาร์ยันเหล่านี้จะมีรูปร่างคล้ายแพนเค๊กขนาดประมาณ 20 เซนติเมตร จึงทำให้เกิดการหักล้างของรังสีเชเรนคอฟที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า 20 เซนติเมตร และมีการเสริมกันกับรังสีเชเรนคอฟที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า 20 เซนติเมตร เช่น คลื่นไมโครเวฟ หรือคลื่นวิทยุ เป็นต้น


          ขั้วโลกใต้ซึ่งถูกปกคลุมด้วยน้ำแข็งจำนวนมากที่คลื่นวิทยุสามารถวิ่งผ่านได้ดีเป็นพิเศษจึงเหมาะที่จะติดตั้งเครื่องตรวจวัดสัญญาณวิทยุที่เกิดจากอันตรกิริยาของนิวทริโนที่ระดับพลังงาน 1 PeVกับน้ำแข็งผ่านปรากฏการณ์อาสคาร์ยัน เครื่องตรวจวัดสัญญาณวิทยุจึงถูกออกแบบมาเป็นส่วนหนึ่งของไอซ์คิวบ์เจนทู เพื่อตรวจวัดนิวทริโนพลังงานสูงยิ่งนี้ โดยไอซ์คิวบ์เจนทู จะมีชุดตรวจวัดสัญญาณวิทยุแบบใหม่ซึ่งประกอบขึ้นจากสถานีตรวจวัดหลาย ๆ สถานีครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 500 ตารางกิโลเมตร แต่ละสถานีจะประกอบด้วยเส้นลวดจำนวน 3 เส้นที่ร้อยด้วยเสาวิทยุติดตั้งใกล้กับพื้นผิวน้ำแข็ง โครงข่ายเสาวิทยุเหล่านี้จะคอยตรวจวัดคลื่นวิทยุที่ปลดปล่อยมาจากกลุ่มอนุภาคทุติยภูมิที่มีประจุในน้ำแข็งซึ่งจะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทราบถึงพลังงานและทิศทางการเข้ามาของนิวทริโนได้ [13] 
 

          โครงการไอซ์คิวบ์เจนทูมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงความละเอียดเชิงมุม เพื่อให้สามารถระบุตำแหน่งนิวทริโนแต่ละตัวบนท้องฟ้าได้ดีขึ้น นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในดาราศาสตร์พหุพาหะโดยการประสานงานและเชื่อมโยงการสังเกตการณ์นิวทริโนกับผู้ส่งสารดาราศาสตร์พหุพาหะอื่นๆ เพื่อช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ เช่น คลื่นความโน้มถ่วง รังสีแกมมา และรังสีคอสมิก เป็นต้น


          ด้วยการต่อยอดจากความสำเร็จของโครงการไอซ์คิวบ์รุ่นแรกไปยังโครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรด และขยายสมรรถะภาพในการตอบสนองต่อนิวทริโนในช่วงพลังงานที่กว้างขึ้น ละเอียดขึ้น และไวขึ้นของไอซ์คิวบ์เจนทูนั้น นอกจากจะนำไปสู่การค้นพบใหม่ทางด้านดาราศาสตร์แล้ว ยังช่วยในการพัฒนาความรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐาน เช่น องค์ประกอบของชนิดนิวทริโนจากอวกาศ ฟิสิกส์เหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน (Physics beyond standard model) เป็นต้น รูปที่ 7 เป็นรูปที่แสดงถึงโครงการของไอซ์คิวบ์ต่าง ๆ ที่เพิ่มสมรรถนะในการตรวจจับนิวทริโนพลังงานต่ำกว่าในย่าน GeVในโครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรด และการตอบสนองต่อพลังงานสูงขึ้นระดับ PeVและ EeVในโครงการไอซ์คิวบ์เจนทู-แสง (IceCube Gen2-Optical) และไอซ์คิวบ์เจนทู-คลื่นวิทยุ (IceCube Gen2-Radio)  ตามลำดับ 


บทสรุป

          หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ซึ่งตั้งอยู่ที่ขั้วโลกใต้ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงการบรรลุเป้าหมายหลักในการใช้นิวทริโนทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เพื่อสำรวจความลับของเอกภพ โดยในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ไอซ์คิวบ์ได้มีบทบาทสำคัญต่อวิชาวิทยาศาสตร์สาขาต่าง ๆ เช่น ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์นิวทริโน สสารมืด ฟิสิกส์ของรังสีคอสมิก และวิศวกรรมเครื่องมือวัด เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากผลการตรวจพบนิวทริโนทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูงในปี ค.ศ. 2013 การมีบทบาทสำคัญในการระบุแหล่งกำเนิดของนิวทริโนนอกกาแล็กซี และรังสีคอสมิกพลังงานสูงในปี ค.ศ. 2018 และการตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูงที่กำเนิดจากภายในกาแล็กซีทางช้างเผือก


          ความร่วมมือระหว่างประเทศของไอซ์คิวบ์กำลังเริ่มต้นภารกิจใหม่ที่มีความท้าทายมาก นั่นคือโครงการไอซ์คิวบ์เจนทูที่จะเพิ่มขีดความสามารถจากไอซ์คิวบ์รุ่นแรกด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพการหาฟลักซ์นิวทริโนในเอกภพต่อปีและพัฒนาความไวต่อแหล่งกำเนิดที่มีลักษณะแบบจุด (point source) การออกแบบโครงการนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มเซนเซอร์วัดแสงและเสาวิทยุแบบใหม่ของเครื่องตรวจวัดที่มีอยู่ ซึ่งเป็นการเปิดศักราชใหม่ในดาราศาสตร์พหุพาหะและฟิสิกส์ของนิวทริโน


          โครงการไอซ์คิวบ์เจนทู คาดว่าจะแล้วเสร็จในปี ค.ศ. 2033 ด้วยงบประมาณ 350 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ถือเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญ ด้วยการเพิ่มโมดูลวัดแสงที่ออกแบบใหม่และเครือข่ายเสาตรวจวัดสัญญาณวิทยุ โครงการไอซ์คิวบ์เจนทูจะมีสมรรถนะการตรวจจับนิวทริโนเพิ่มขึ้นจากไอซ์คิวบ์รุ่นแรกอย่างมีนัยสำคัญ โดยมุ่งหวังที่จะไขปริศนาความลับที่มีมายาวนานทางด้านดาราศาสตร์ของนิวทริโน รวมถึงการพัฒนาความละเอียดของแผนที่ท้องฟ้านิวทริโนพลังงานสูงในระดับที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน การตรวจสอบกระบวนการเร่งของอนุภาคในอวกาศ การทำความเข้าใจแหล่งที่มาและการแพร่กระจายของอนุภาคที่พลังงานสูงที่สุดในเอกภพ และการตรวจสอบองค์ความรู้ฟิสิกส์พื้นฐานด้วยนิวทริโนพลังงานสูง


          เมื่อโครงการสร้างเสร็จ ไอซ์คิวบ์เจนทูจะเข้าร่วมกับเครือข่ายหอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ขนาดใหญ่ทั่วโลก ซึ่งจะมีส่วนช่วยในการพัฒนาความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคภาคพลังงานสูงจากอวกาศ ด้วยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นและช่วงพลังงานที่ขยายออกไป ไอซ์คิวบ์เจนทูจึงพร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญในการกำหนดอนาคตของดาราศาสตร์พหุพาหะ และการค้นพบองค์ความรู้ใหม่ของมนุษยชาติ 


บรรณานุกรม
 

• [1] Lu, Lu, and Tianlu Yuan. "The use of Cherenkov light in the detection of high-energy cosmic rays and neutrinos: The Pierre Auger and IceCube Observatories." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 970 (2020): 163678.
• [2] Karle, Albrecht. "The Path from AMANDA to IceCube." In Astrophysics from Antarctica, edited by Michael G. Burton, Xiangqun Cui, and Nicholas F. H. Tothill, vol. 288, pp. 98-104. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.
• [3] IceCube Neutrino Observatory, “Beyond IceCube”, from https://icecube.wisc.edu/science/beyond/. Access on December 6th, 2023.
• https://icecube.wisc.edu/science/beyond/. Access on December 6th, 2023.
• [4] Abbasi, R., et al. "Search for GeV neutrino emission during intense gamma-ray solar flares with the IceCube Neutrino Observatory." Physical Review D 103, no. 10 (2021): 102001.
• [5] IceCube Collaboration, et al. "Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector." Science 342, no. 6161 (2013): 1242856.
• [6] IceCube Collaboration, et al. "Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert." Science 361, no. 6398 (2018): 147-151.
• [7] IceCube Collaboration, et al. "Neutrino emission from the supermassive black hole at the center of the galaxy." Science 361.6378 (2018): 1378-1381.
• [8] Aartsen, M. G., et al. "IceCube Search for Neutrinos Coincident with Compact Binary Mergers from LIGO-Virgo's First Gravitational-wave Transient Catalog." The Astrophysical Journal, vol. 898, no. 1, 2020, pp. L10-L10. 
• [9] IceCube Collaboration et al. "Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068." Science 378.6619 (2022): 538-543.
• [10] IceCube Collaboration et al. "Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane." Science 380.6652 (2023): 1338-1343.
• [11] Greisen, Kenneth. "End to the Cosmic-Ray Spectrum?" Physical Review Letters, vol. 16, no. 17, pp. 748-750, 1966.
• [12] Zatsepin, G. T., and V. A. Kuz'min. "Upper Limit of the Spectrum of Cosmic Rays." Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, vol. 4, 1966, pp. 78-79.
• [13] Madeleine O'Keefe, “IceCube-Gen2 will open a new window on the universe”, from https://icecube.wisc.edu/news/research/2020/08/icecube-gen2-will-open-new-window-on-universe/. Access on December 6th, 2023.