»»»  สัญลักษณ์ แสดงหัวข้อหรือแนวคิดที่นักเรียนสามารถพูดคุยหรือคิดเกี่ยวกับเรื่องนั้น ๆ  สัญลักษณ์  แสดงจุดที่กิจกรรมจะถูกนำเสนอ »»»

IceCube เป็นเครื่องตรวจวัดอนุภาคที่สามารถใช้งานได้หลากหลาย สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาทางฟิสิกส์ยุคใหม่หลายข้อ เช่น ลักษณะของสสารมืดหรือการสั่นของนิวทริโน อย่างไรก็ตาม เหตุผลหลักในการสร้างเครื่องตรวจวัดนี้คือการค้นหานิวทริโนพลังงานสูงมาก ซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจแหล่งกำเนิดและธรรมชาติของรังสีคอสมิก

รังสีส่วนใหญ่ในเอกภพของเราไม่ได้มาจากดาวฤกษ์ แต่มาจากแหล่งพลังงานที่รุนแรง ซึ่งมีหลุมดำและดาวนิวตรอนเป็นแหล่งพลังงาน เช่น ซุปเปอร์โนวา พัลซาร์ และการระเบิดของรังสีแกมมา วัตถุเหล่านี้สามารถเร่งอนุภาคที่เรียกว่า รังสีคอสมิก ไปยังพลังงานที่มากกว่าเครื่องเร่งอนุภาคบนโลกในปัจจุบันถึงหนึ่งล้านเท่า

ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1960 นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่า สภาพแวดล้อมอันทรงพลังเหล่านี้ ยังผลิตนิวทริโนออกมาด้วย ซึ่งสามารถใช้สำรวจเอกภพได้ เช่นเดียวกับแสงที่กล้องโทรทรรศน์แบบแสงใช้ แต่ในไม่ช้า ก็ได้มีการค้นพบว่า ต้องใช้เครื่องตรวจวัดขนาดลูกบาศก์กิโลเมตร ถึงจะทำการวิจัยนี้ได้

IceCube ซึ่งเป็นหอสังเกตการณ์นิวทริโนขั้วโลกใต้ เป็นเครื่องตรวจจับชนิดแรกที่มีลักษณะเช่นนี้ ออกแบบมาเพื่อสังเกตการณ์นิวทริโนจากแหล่งพลังงานดาราศาสตร์ที่รุนแรงที่สุดในเอกภพของเรา

นิวทริโนที่มีพลังงานต่ำกว่าระดับ TeV (TeV) สองสามระดับ ว่าน่าจะมีต้นกำเนิดมาจากชั้นบรรยากาศ (atmospheric) กล่าวคือ เกิดจากการชนกันของรังสีคอสมิกกับชั้นบรรยากาศ  และอนุภาคที่มีพลังงานมากกว่าหลาย TeV น่าจะมีแนวโน้มที่จะเกิดจากแหล่งกำเนิดนอกโลก (extraterrestrial sources)

เราสามารถมองได้ว่า IceCube ว่าเป็นเครื่องตรวจจับมิวออนขนาดใหญ่ได้เช่นกัน เนื่องจากเครื่องนี้ส่วนใหญ่ตรวจจับมิวออน ประมาณหนึ่งล้านตัวต่อนิวทริโนหนึ่งตัวที่ตรวจพบ มิวออนเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างรังสีคอสมิกกับชั้นบบรรยากาศของโลกด้วย

แล้วเราจะแยกนิวทริโนที่มาจากนอกระบบสุริยะได้อย่างไร?

โดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์มักเรียกสัญญาณทั้งหมดในเครื่องตรวจจับที่พวกเขาไม่สนใจสำหรับการวิเคราะห์เฉพาะเจาะจงว่าเป็น “สัญญาณรบกวน” (background) และใช้คำว่า “สัญญาณ” (signal) สำหรับข้อมูลที่พวกเขากำลังมองหา

ในการวิเคราะห์เชิงลึกนี้ สัญญาณของเรามาจากนิวทริโนที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดคอสมิกเดียวกันกับที่สร้างรังสีคอสมิก และสัญญาณรบกวนส่วนใหญ่ประกอบด้วยนิวทริโนและมิวออนจากชั้นบรรยากาศ

เกณฑ์การเลือกใช้ คุณสมบัติใดของเหตุการณ์ที่สังเกตได้ใน IceCube สามารถนำมาใช้แยกสัญญาณจากสัญญาณรบกวนได้

คำแนะนำ: ลองคิดเกี่ยวกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น พลังงาน ทิศทาง หรือรูปร่างของเหตุการณ์ตามที่ IceCube มองเห็น จอแสดงผลนี้สามารถช่วยให้คุณเดาคุณสมบัติสำคัญบางอย่างที่ควรพิจารณาได้ This display can help you guess some of the important properties to consider.

เรียนรู้วิธีที่นักวิจัย IceCube ดำเนินการคัดเลือก (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่นี่ สำหรับ “การเลือกเหตุการณ์” หน้า 7) link

ดูเหมือนง่ายใช่มั้ย? ลองมาดูว่าคุณเก่งแค่ไหนในการเดาว่าการเลือกสรรนี้ทำงานอย่างไร แบบทดสอบอนุภาค: การเลือกนิวทริโนใน IceCube.

การวิเคราะห์แทร็กเริ่มต้น: การค้นหานิวทริโนพลังงานสูงมากใน IceCube

นี่คือวิธีที่บทวิเคราะห์ล่าสุดที่ตีพิมพ์โดย IceCube Collaboration ในวารสาร Science เข้าใกล้ปัญหานี้: พวกเขาค้นหาฟลักซ์ของนิวทริโนพลังงานสูงมากโดยการมองหาเหตุการณ์เหล่านั้นที่เริ่มต้นในเครื่องตรวจจับ IceCube

หากพบฟลักซ์ นี่จะเป็นฟลักซ์แรกของนิวทริโนพลังงานสูงมากที่เคยวัดได้ คำถามสองข้อจะต้องได้รับคำตอบ:

1) นิวทริโนเหล่านี้ผลิตขึ้นนอกระบบสุริยะของเรารึเปล่า?

2) เราสามารถชี้ไปที่แหล่งกำเนิดที่แน่นอนที่สร้างมันขึ้นมาได้หรือไม่?

ลองดูเหตุการณ์ที่เลือกไว้

จากเหตุการณ์หลายล้านเหตุการณ์ที่ตรวจพบใน IceCube ตั้งแต่พฤษภาคม 2010 ถึงพฤษภาคม 2012 พบเหตุการณ์นิวทริโนพลังงานสูงมาก 28 เหตุการณ์ มีการเลือกเฉพาะเหตุการณ์ที่เริ่มต้นภายในเครื่องตรวจจับและมีการคำนวณพลังงานมากกว่า 30 TeV เท่านั้น A subsequent analysis that included a third year of data found 37 very high energy neutrino events.

ลองดูเหตุการณ์นิวทริโน 37 เหตุการณ์เป็นอันดับแรก คุณเดาได้ไหมว่าอันไหนมีพลังงานสูงสุด? link

ตอนนี้ ใช้เวลาของคุณ ภาพด้านล่างนี้จะแสดงรายละเอียดของนิวทริโน 37 ตัวอย่าง ละเอียดขึ้น พร้อมข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับแต่ละตัวอย่าง link

ต่อไปเรามาตอบคำถามที่เราถามไว้ข้างต้น เราจะรู้ได้อย่างไรว่าเหตุการณ์เหล่านี้มาจากนอกระบบสุริยะของเรา?

คำแนะนำ: ทีม IceCube ประกอบด้วยนักฟิสิกส์ทฤษฎีและทดลอง

ลองกำหนดคุณสมบัติของฟลักซ์นิวทริโนของเราและสร้างกราฟิกและแผนภูมิของฟลักซ์เหล่านั้น พิจารณาว่า เหตุการณ์สัญญาณนี้เข้ากันได้กับเหตุการณ์พื้นหลังหรือไม่ ดูที่การกระจายข้อมูลเทียบกับการจำลอง และเรียนรู้ว่าการกระจายเหล่านี้เปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเราปรับแต่งค่าการตัดพลังงานที่เลือก link

เราแน่ใจหรือไม่ว่านี่เป็นฟลักซ์นิวทริโนพลังงานสูงจากนอกโลก? เราบอกความสำคัญของผลลัพธ์นี้ได้ไหม?

คำแนะนำ: ลองคิดดูว่าสถิติเพิ่มเติมจะช่วยปรับปรุงสัญญาณของเราได้อย่างไร และถ้าเราตั้งสมมติฐานที่สำคัญ สมมติฐานนั้นจะผิดพลาดทั้งหมดหรือบางส่วนได้อย่างไร

ตอนนี้เราพร้อมที่จะตอบคำถามที่สองแล้ว: เราสามารถชี้ไปที่แหล่งกำเนิดที่นิวทริโนเหล่านี้ถูกผลิตขึ้นมาได้หรือไม่?

ยอดเยี่ยม! คุณสามารถทำซ้ำผลการวิจัยเฉพาะอย่างของ IceCube Collaboration ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Science เมื่อเดือนพฤศจิกายน 2013

ข้อมูลเพิ่มเติม:

อ่านข่าวเกี่ยวกับการวิเคราะห์นี้บนเว็บไซต์ IceCube

IceCube: เครื่องมือดักจับนิวทริโนแช่แข็งยักษ์ บทความบล็อกโดย Matt Strassler