หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์บรรลุความแม่นยำระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาการแกว่งของนิวทริโน

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์บรรลุความแม่นยำระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาการแกว่งของนิวทริโน


          ทีมนักวิทยาศาสตร์ของหอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ที่ขั้วโลกใต้ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญสำหรับการวัดพารามิเตอร์การแกว่งของนิวทริโน (neutrino oscillations) ในชั้นบรรยากาศ โดยใช้โครงข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชัน (convolutional neural networks) หรือ ซีเอ็นเอ็นเอส CNNs โดยผลการวิเคราะห์ครั้งล่าสุด พวกเขาสามารถวัดพารามิเตอร์การแกว่งของนิวทริโนได้แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยมีการวัดมา โดยการใช้ข้อมูลจากเครื่องตรวจวัดแกนลึก (DeepCore) ซึ่งเป็นเครื่องตรวจวัดย่อยของไอซ์คิวบ์ที่พัฒนาขึ้นมาใหม่ให้มีความไวต่อนิวทริโนที่มีพลังงานต่ำถึงระดับจิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) หรืออาจตอบสนองต่อพลังงานที่ต่ำกว่านั้นเป็น 100 เท่า [1]


          นิวทริโนในบรรยากาศ (atmospheric neutrino) เกิดขึ้นเมื่อรังสีคอสมิกชนกับชั้นบรรยากาศ นิวทริโนเหล่านี้สามารถแกว่งหรือเปลี่ยนชนิดของนิวทริโน (flavors) ได้ การแกว่งของนิวทริโนเป็นกระบวนการที่นิวทริโนเกิดการสลับระหว่างชนิดของนิวทริโน ซึ่งประกอบไปด้วย อิเล็กตรอน-นิวทริโน (electron neutrino, ν_e)  มิวออน-นิวทริโน (muon neutrino, ν_μ) และทาว-นิวทริโน (tau neutrino, ν_τ) นิวทริโนเหล่านี้สามารถเปลี่ยนชนิดจากชนิดหนึ่งไปยังอีกชนิดหนึ่งได้ในขณะเคลื่อนที่ การทำความเข้าใจการแกว่งเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจสมบัติพื้นฐานของนิวทริโน ซึ่งเป็นอนุภาคเกือบไร้มวลและมีปฏิกิริยากับสสารเพียงเล็กน้อย
ที่ผ่านมาทีมนักวิทยาศาสตร์ของไอซ์คิวบ์ได้ทุ่มเทในการปรับปรุงวิธีการสอบเทียบ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และการประมวลผลข้อมูลจากเครื่องตรวจวัดแกนลึก เป็นผลให้พวกเขาสามารถบรรลุความแม่นยำในการวัดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน [2] 

          งานวิจัยนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้การวิเคราะห์ผลการจำลองเหตุการณ์นิวทริโนด้วยคอมพิวเตอร์เปรียบเทียบกับเหตุการณ์ที่สังเกตได้จริง โดยถ่วงน้ำหนักเหตุการณ์จำลองแต่ละเหตุการณ์ด้วยความน่าจะเป็นของการรอดชีพ (survival probability) ซึ่งขึ้นอยู่กับพลังงาน ชนิด และระยะทางที่ใช้ในการเดินทางผ่านโลก ทีมนักวิทยาศาสตร์จะทำการปรับพารามิเตอร์จนกว่าข้อมูลจำลองจะใกล้เคียงกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตมากที่สุด วิธีการนี้จะช่วยให้ตรวจพบการหายไปของมิวออน-นิวทริโนได้อย่างชัดเจน ซึ่งจำกัดพารามิเตอร์ของการผสม (mixing parameters) ในบรรยากาศได้อย่างมีนัยสำคัญ [4] รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าผลจากวิธีการดังกล่าวของไอซ์คิวบ์ซึ่งแสดงด้วยคอนทัวร์และจุดสีดำที่มีความแม่นยำกว่าผลการทดลองชั้นแนวหน้าโครงการอื่นเป็นอย่างมาก 


          งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเครื่องตรวจวัดไอซ์คิวบ์ในการตรวจวัดที่มีความแม่นยำสูง และด้วยการปรับปรุงที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้ ซึ่งรวมถึงโครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรดที่วางแผนว่าจะแล้วเสร็จระหว่างปี พ.ศ. 2568-2569 คาดว่าจะมีความแม่นยำในการวัดเพิ่มขึ้น และสามารถทดสอบทฤษฎีใหม่ ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการแกว่งของนิวทริโนได้ [4] โครงการไอซ์คิวบ์อัปเกรดนี้ยังมีนักวิจัยไทยจากความร่วมมือไทยไอซ์คิวบ์ (Thai-IceCube Collaboration) เข้าร่วมติดตั้งอุปกรณ์ ณ ขั้วโลกใต้อีกด้วย


บรรณานุกรม

• [1] IceCube Collaboration. "Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillation Parameters Using Convolutional Neural Networks with High Precision." IceCube Neutrino Observatory. Last modified May 2024. https://icecube.wisc.edu/news/research/2024/05/measurement-of-atmospheric-neutrino-oscillation-parameters-using-convolutional-neural-networks-with-high-precision/.
• [2] IceCube Collaboration. "IceCube Measurement of Atmospheric Neutrino Mixing Using Improved DeepCore Calibration & Data Processing." IceCube Neutrino Observatory. Last modified May 2023. https://icecube.wisc.edu/news/research/2023/05/icecube-measurement-of-atmospheric-neutrino-mixing-using-improved-deepcore-calibration-data-processing/.
• [3] IceCube Collaboration. "Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillation Parameters Using Convolutional Neural Networks with 9.3 Years of Data in IceCube DeepCore." arXiv preprint arXiv:2405.02163 (2024).
• [4] IceCube Collaboration. "IceCube Measurement of Atmospheric Neutrino Mixing Using Improved DeepCore Calibration, Data Processing." IceCube Neutrino Observatory. Last modified May 2023. https://icecube.wisc.edu/news/research/2023/05/icecube-measurement-of-atmospheric-neutrino-mixing-using-improved-deepcore-calibration-data-processing/.