รังสีคอสมิกคืออนุภาคที่มีประจุซึ่งมีแหล่งกำเนิดจากนอกระบบสุริยะ แล้วทำไมเราถึงเรียกมันว่ารังสีล่ะ? ก็เพราะการตรวจจับรังสีคอสมิกเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ก่อนที่เราจะสามารถนึกภาพได้ว่ามันคืออะไรกันแน่
แต่เดิมเราเชื่อว่ารังสีคอสมิกเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าบางชนิด เช่น ประกอบด้วยโฟตอน เหมือนกับรังสีเอกซ์หรือรังสีแกมมา การวัดรังสีคอสมิกครั้งแรกเกิดขึ้นโดยวิกเตอร์ เฮส ในปี 1912 เขาวัดรังสีคอสมิกโดยขึ้นไปกับบอลลูน เราได้รู้ว่า “รังสีที่มีพลังทะลุทะลวงมหาศาลกำลังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของเราจากเบื้องบน” ซึ่งไม่รวมดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิด ไม่กี่ปีต่อมาเราก็ค้นพบว่า “รังสี” นี้จริง ๆ แล้วเป็นอนุภาคที่มีประจุ เนื่องจากเราสังเกตว่ารังสีคอสมิกถูกเบี่ยงเบนด้วยสนามแม่เหล็ก โฟตอนเป็นอนุภาคไร้ประจุและไม่เบี่ยงเบนด้วยสนามแม่เหล็ก
รังสีคอสมิกมีอยู่มากมาย และเดินทางไปถึงทุกมุมของโลกและอวกาศอย่างต่อเนื่อง การตรวจจับรังสีคอสมิกเพียงไม่กี่อนุภาคไม่ใช่เรื่องใหญ่ คุณสามารถทำได้ง่าย ๆ ด้วยชุดอุปกรณ์ที่เรียกว่า “cloud chamber” หรือแม้แต่ใช้โทรศัพท์ของคุณ phone
อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการใช้รังสีคอสมิกเพื่อศึกษาเอกภพอันไกลโพ้น คุณจำเป็นต้องตรวจจับรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงมาก ๆ และคุณจำเป็นต้องวัดสมบัติของมันอย่างละเอียด นักวิทยาศาสตร์จึงได้ประดิษฐ์เครื่องตรวจวัดอนุภาคภาคพื้นดิน (ground-based) และอวกาศ (space-based) ขึ้นมากมาย IceTop และ IceCube เป็นเครื่องตรวจวัดรังสีคอสมิกขนาดใหญ่ ขนาดที่ตั้ง และการออกแบบเครื่องตรวจวัดของพวกมัน ช่วยให้สามารถสังเกตการณ์รังสีคอสมิกได้เกือบทั่วทั้งซีกโลกใต้ตลอดทั้งวัน IceCube ยังเป็นสามารถตรวจวัดนิวทริโนอีกด้วย
รังสีคอสมิกพลังงานสูงมากคืออะไร?
รังสีคอสมิกส่วนใหญ่ในกาแลคซีมีพลังงานระหว่าง 100 MeV ถึง 10 GeV หากรังสีคอสมิกเหล่านั้นเป็นโปรตอน ซึ่งมักจะเป็นเช่นนั้น พวกมันจะเดินทางด้วยความเร็วระหว่าง 45% ถึง 99.6% ของความเร็วแสง รังสีคอสมิกพลังงานต่ำซึ่งมีมากที่สุด มักจะศึกษาด้วยเครื่องตรวจวัดขนาดเล็กที่นำขึ้นไปกับบอลลูนและดาวเทียม
เมื่อรังสีคอสมิกพลังงานสูงชนกับบรรยากาศของโลก มันจะแตกตัวเป็นอนุภาคย่อย ๆ ที่เรียกว่า air shower ซึ่งเราสามารถตรวจวัดได้ที่พื้นดิน เหตุการณ์เหล่านี้พบได้น้อยกว่ามาก เนื่องจากปริมาณรังสีคอสมิก (cosmic-ray flux) ลดลงอย่างรวดเร็วตามที่พลังงานเพิ่มขึ้น และอนุภาคทุติยภูมิ (secondary particles) จะกระจายไปบนพื้นที่ขนาดใหญ่บนผิวโลก เราใช้กลุ่มเครื่องตรวจวัดภาคพื้นดิน (arrays of ground-based detectors) ที่ทำงานเป็นเวลานานเพื่อศึกษารังสีคอสมิกที่มีพลังงานประมาณ 100 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) ขึ้นไป
เราเข้าใจรังสีคอสมิกพลังงานต่ำได้ดี แต่ต้นกำเนิดและลักษณะของรังสีคอสมิกพลังงานสูงยังเป็นปริศนาทางวิทยาศาสตร์ที่ยังหาคำตอบไม่ได้ยาวนานถึง 100 ปี โดยการศึกษาสมบัติของรังสีคอสมิกพลังงานสูงเพิ่มเติม เราหวังว่าจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับแหล่งกำเนิดและกระบวนการทางฟิสิกส์ที่ธรรมชาติสามารถเร่งอนุภาคไปยังพลังงานที่มากกว่าเครื่องเร่งอนุภาคที่มนุษย์สร้างขึ้นถึงหนึ่งล้านเท่า
การวัดรังสีคอสมิกด้วย IceTop
IceTop เป็นอาร์เรย์เชเรนคอฟ (Cherenkov array) ประกอบด้วยถังน้ำแข็ง 162 ถัง ทำหน้าที่ตรวจจับอนุภาคประจุที่เกิดขึ้นรอง (secondary charged particles) ในฝักบัวของรังสีคอสมิก IceTop สามารถตรวจจับอิเล็กตรอน โฟตอน มิวออน และแฮดรอนประจุในฝักบัวได้ โดยอาศัยแสงสีฟ้าที่เรียกว่า แสงเชเรนคอฟ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคเหล่านี้เดินทางผ่านเครื่องตรวจวัด อนุภาคเหล่านี้จะเคลื่อนที่แบบสัมพัทธภาพผ่านถังน้ำแข็งแช่แข็งด้วยความเร็วที่เร็วกว่าความเร็วแสงในน้ำแข็ง
การแตกตัวของรังสีคอสมิกตามปกติจะกระจายไปยังถัง IceTop จำนวนหนึ่ง แสงที่เกิดขึ้นในแต่ละถัง ช่วยในการประมาณพลังงานของอนุภาคทุติยภูมิที่เข้ามา ข้อมูลจากอาร์เรย์ทั้งหมดสามารถนำไปใช้สร้างแบบจำลองรูปร่างและความเข้มของอนุภาคที่เข้ามาโดยรวม ซึ่งสามารถประมาณพลังงานและทิศทางของรังสีคอสมิกที่มาได้
อนุภาคที่แตกตัวในชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่จะถูกดูดกลืนไปเมื่อเดินทางถึงพื้นผิวโลก แต่มิวออนสามารถเดินทางหลายกิโลเมตรในน้ำแข็ง IceCube ซึ่งอยู่ใต้ IceTop ที่ความลึกตั้งแต่ 1.5 ถึง 2.5 กิโลเมตร ก็จะตรวจจับมิวออนจากรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศด้วย
IceTop ตั้งอยู่ที่ระดับความสูง 2,835 เมตรที่ขั้วโลกใต้ ช่วยให้สามารถศึกษาการรังสีคอสมิกได้ตั้งแต่ประมาณ 100 TeV ไปจนถึงระดับ EeV ซึ่งบริเวณนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากครอบคลุมช่วงการเปลี่ยนผ่านระหว่างรังสีคอสมิกของกาแลคซีและนอกกาแลคซี (ดูรูปด้านบน)
รังสีคอสมิกของกาแลคซีและนอกกาแลคซี ครอบคลุมช่วงพลังงานที่ต่างกัน แต่ยังแสดงความแตกต่างในองค์ประกอบทางเคมีของรังสีคอสมิกปฐมภูมิด้วย
การเปรียบเทียบพลังงานของรังสีคอสมิกที่วัดได้ที่วัดโดย IceTop ซึ่งรวมถึง อิเล็กตรอน โฟตอน มิวออน และแฮดรอนประจุ กับพลังงานที่วัดโดย IceCube ซึ่งอาศัยเฉพาะมิวออน เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบมวลของรังสีคอสมิก ในช่วงพลังงานตั้งแต่ประมาณ 100 TeV ถึง 1 EeV อัตราส่วนระหว่างรังสีคอสมิกหนัก เช่น นิวเคลียสของเหล็ก กับรังสีคอสมิกเบา เช่น โปรตอน คาดว่าจะแสดงลักษณะเฉพาะในการเปลี่ยนผ่านจากแหล่งกำเนิดในกาแลคซีไปยังนอกกาแลคซี
IceTop เพียงอย่างเดียว ยังสามารถวัดสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคทั้งหมดของรังสีคอสมิกบริเวณหัวเข่า (knee) ขึ้นไปจนถึงข้อเท้า (ankle) ได้ ผลลัพธ์ในช่วงพลังงานตั้งแต่ 1.6 PeV ถึง 1.3 EeV แสดงการเบี่ยงเบนจากกฎกำลังง่ายๆ (simple power law) ตามที่คาดการณ์ไว้สำหรับแหล่งกำเนิดผสมระหว่างกาแลคซีและนอกกาแลคซี การเจาะลึกลงไปในโครงสร้างนี้จะช่วยให้เราเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบนอกกาแลคซีกลุ่มแรกของฟลักซ์รังสีคอสมิก
นอกเหนือจากคุณสมบัติของรังสีคอสมิกเองแล้ว รายละเอียดในการกระจายของทิศทางที่มาของรังสีคอสมิก สามารถช่วยให้เราเข้าใจภายในของกาแลคซีของเรา IceTop และ IceCube ได้ทำการสร้างภาพรังสีคอสมิกแอนไอโซโทรปี (anisotropy) ในซีกโลกใต้เป็นครั้งแรก แอนไอโซโทรปีในทิศทางการมาถึงของรังสีคอสมิกพลังงานสูงเคยถูกตรวจพบโดยเครื่องตรวจจับหลายเครื่องในซีกโลกเหนือมาก่อนหน้านี้ แหล่งกำเนิดของการแอนไอโซโทรปีเหล่านี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจดี แต่นักวิทยาศาสตร์ชี้ว่าสนามแม่เหล็กในระบบสุริยะหรือแหล่งกำเนิดใกล้เคียงน่าจะเป็นจุดเชื่อมต่อที่สำคัญ
