»»»  สำหรับการอภิปรายและวิเคราะห์: รายการนี้ช่วยให้นักเรียนได้พูดคุยกัน แลกเปลี่ยนความคิดเห็น และวิเคราะห์หัวข้อหรือแนวคิดต่างๆ อย่างลึกซึ้ง  สำหรับการแนะนำกิจกรรม: รายการนี้จะแนะนำกิจกรรมต่างๆ ที่จะช่วยให้นักเรียนได้เรียนรู้และเข้าใจในหัวข้อนั้นๆ มากยิ่งขึ้น »»»

IceTop คือเครื่องมือตรวจจับรังสีคอสมิก ประกอบด้วยอุปกรณ์มากมาย ทำหน้าที่สังเกตการณ์อนุภาคทุติยภูมิ ที่เกิดจากรังสีคอสมิก พุ่งชนชั้นบรรยากาศของโลก ข้อมูลที่ได้จาก IceTop ช่วยให้เราสามารถศึกษาองค์ประกอบของรังสีคอสมิก เส้นทางการเดินทางของรังสีคอสมิก และสเปกตรัมพลังงานของรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูง

รังสีคอสมิกรวมถึงอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน, และธาตุหนัก. แหล่งกำเนิดของอนุภาคพวกยังไม่ทราบอย่างแน่ชัด แต่เราคาดหวังว่า อนุภาคเหล่านี้จะมีทั้งในแกแล็กซี่ และออกนอกแกแล็กซี่สเปกตรัมพลังงานของรังสีคอสมิก ซึ่งเป็นอัตราที่เปลี่ยนแปลงไปตามพลังงานที่เพิ่มขึ้น ได้รับการวัดโดยเครื่องตรวจจับหลายตัว รวมถึง IceTop แหล่งกําเนิดนอกกาแล็กซีคาดว่าจะมีมากขึ้นเมื่อพลังงานเพิ่มขึ้นและเป็นแหล่งกําเนิดเดียวที่ตอบสนองต่อรังสีคอสมิกพลังงานสูงมาก

การวัดสเปกตรัมพลังงานรังสีคอสมิกอย่างแม่นยําสามารถช่วยให้เราเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเปลี่ยนจากแหล่งกาแล็กซีไปเป็นแหล่งกําเนิดนอกกาแล็กซี่ และด้วยเหตุนี้ เกี่ยวกับคุณสมบัติของแหล่งกําเนิดรังสีคอสมิก

IceTop ตรวจจับรังสีคอสมิกในช่วงพลังงานตั้งแต่ประมาณ 100 TeV ถึง 1 EeV ซึ่งเป็นบริเวณของการเปลี่ยนจากรังสีคอสมิกกาแล็กซีเป็นรังสีคอสมิกนอกกาแล็กซี่

อย่างไรก็ตาม อัตรารังสีคอสมิกที่วัดโดย IceTop ไม่สามารถเปรียบเทียบโดยตรงกับการทดลองอื่นๆ คุณนึกถึงปริมาณที่สามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบผลระหว่างเครื่องตรวจวัดอื่นได้หรือไม่?

คําแนะนํา: จํานวนเหตุการณ์รังสีคอสมิกที่สังเกตโดยเครื่องตรวจจับขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตและตําแหน่งของมัน

นักฟิสิกส์ใช้ฟลักซ์รังสีคอสมิก กล่าวคือ อัตราที่รังสีคอสมิกมาถึงโลกสําหรับพื้นที่ที่กําหนดและมุมที่กําหนด เพื่อเปรียบเทียบการวัดจากเครื่องตรวจวัดต่างๆ

IceTop วัดอะไรบ้าง?

เรามาดูกันว่า IceTop เห็นอะไรและสามารถวัดได้

ที่นี่เรามีการจำลองรังสีคอสมิกคล้ายสายฝน

ที่มา https://web.iap.kit.edu/corsika/movies/Movies.htm

ในทั้งสองกรณี, มันคือโปรตอน 100 TeV ด้านซ้ายเป็นสายฝนแนวตั้ง บนขวามือ, ทางด้านขวา แกนสายฝนคือ 30 องศาปิด

อย่างที่คุณเห็นในภาพยนตร์ สําหรับรังสีคอสมิกที่แตกตัวคล้ายสายฝนในอากาศแต่ละครั้งอาจมีอนุภาคนับล้านหรือมากกว่านั้นกระทบพื้น IceTop จะตรวจจับได้เพียงบางส่วนเท่านั้น

 คุณสามารถระบุคุณสมบัติบางประการของฝักบัวคล้ายสายฝนที่จะช่วยให้คุณกําหนดลักษณะได้หรือไม่?

ตอนนี้ มาดูเหตุการณ์รังสีคอสมิกใน IceTop กัน

สถานี IceTop หลายแห่งสว่างขึ้นสําหรับแต่ละเหตุการณ์รังสีคอสมิก แต่ละคนบันทึกการผ่านของอนุภาคอย่างน้อยหนึ่งอนุภาคจากสายฝนในอากาศที่เกิดจากรังสีคอสมิก สีแดงบ่งบอกถึง สถานีแรกในการตรวจวัดอนุภาค ในขณะที่สีเขียว / เหลืองเป็นการตรวจวัดในภายหลัง ขนาดของฟองสีรอบ ๆ แต่ละสถานีจะปรับขนาดด้วยพลังงานที่วัดได้ที่สถานีนั้น ๆ

 เราสามารถหาทิศทางของรังสีคอสมิกที่เข้ามาโดยการสำรวจรูปแบบของแสงใน IceTop ได้หรือไม่? และตำแหน่งของแกนสายฝนในอากาศละ?

ข้อควรจํา: IceTop ตรวจจับอิเล็กตรอน, โฟตอน, มิวออน, และแฮดรอน ที่มีประจุในสายฝนด้วยแสงสีน้ำเงินที่เรียกว่าแสงเชอเรนคอฟ ซึ่งผลิตขึ้นเมื่อข้ามเครื่องตรวจวัด ดูแสง Cherenkov ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่นี่ link

 เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับพลังงานของรังสีคอสมิกที่เข้ามาจากการวัดพลังงานในอาร์เรย์ IceTop ได้หรือไม่?

คําแนะนํา: นักฟิสิกส์ได้ศึกษาสายฝนในอากาศรังสีคอสมิกมาเป็นเวลานาน เรารู้วิธีจําลองสิ่งที่พวกมันดูเหมือนและสัญญาณที่เราควรคาดหวังใน IceTop เราได้เรียนรู้ว่าสายฝนรังสีคอสมิกปรับขนาดด้วยพลังงาน นั่นคือมันเป็นตัวแทนที่ดีสําหรับพลังงานของรังสีคอสมิกดั้งเดิม

มาดูเหตุการณ์บางเหตุการณ์ใน IceTop ที่นี่ บางส่วนเป็นเหตุการณ์จริงและบางส่วนเป็นการจำลองคุณสามารถทำนายได้ไหมว่าเหตุการณ์ไหนคือเหตุการณ์จริง และเหตุการณ์ไหนคือการจำลอง จะเห็นว่าเหตุการณ์ที่เป็นจริงและเหตุการณ์ที่จำลองไม่สามารถแยกแยะได้ link

มาดูเหตุการณ์เดิมอีกครั้ง แต่คราวนี้ลองมาวัดสายฝนในอากาศกัน โดยใช้การแสดงผลที่แตกต่างกัน (ดูรูปภาพด้านล่าง) ลองหาตำแหน่งแกนของสายฝนในอากาศ (การแสดงผลทางขวา) และฟิตให้เข้ากับการกระจายของพื้นที่ของสายฝนในอากาศ (การแสดงผลทางซ้าย) คุณยังสามารถเปลี่ยนทิศทางของสายฝนในอากาศได้โดยการเคลื่อนที่มุมเซนิธและมุมอซิมุธ บันทึกผลเมื่อคุณทำข้อมูลทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์

คำแนะนำ: จำไว้ว่าด้านหน้าสายฝนควรเป็นแบบแผ่นเรียบ เส้นประด้านบนจอแสดงผลขวามือคือ มันตั้งฉากกับแกน shower

การสอบเทียบพลังงานและสเปกตรัมพลังงานฟลักซ์รังสีคอสมิก

จากผลลัพธ์ของคุณ เราจะทำการปรับเทียบเครื่องตรวจวัดของเราก่อน ในการทำเช่นนั้น ให้ใช้เหตุการณ์จำลองในตารางผลลัพธ์ของคุณ (เหตุการณ์เหล่านั้นคือเหตุการณ์ที่คุณทราบพลังงานของพวกมัน นั่นคือ E>0)

คำแนะนำ: แต่ละเหตุการณ์ ไม่ว่าจะเป็นข้อมูลหรือจำลอง ก็มีน้ำหนักในตารางผลลัพธ์ของคุณด้วย สิ่งนี้เป็นเพราะชุดเหตุการณ์ของคุณได้รับการกรองล่วงหน้าไว้แล้ว IceTop เห็นรังสีคอสมิกหลายพันครั้งต่อวัน และไม่มีเวลาเพียงพอที่จะดูรังสีคอสมิกทั้งหมด เหตุการณ์ที่คุณได้สำรวจเป็นเหตุการณ์ที่แสดงถึงอัตราสำหรับช่วงพลังงานที่กำหนด น้ำหนักบอกคุณว่าพบเหตุการณ์ในช่วงพลังงานนี้กี้เฟตุการณ์ในตัวอย่างจริง/จำลองทั้งหมด ซึ่งเป็นข้อมูลของ IceCube ในหนึ่งวัน ความขึ้นตรงระหว่างอัตราและพลังงานเป็นกฎของกำลัง ใช้มาตราส่วนลอการิทึมเพื่อให้ได้เส้นโค้งการสอบเทียบอย่างง่าย

ตอนนี้คุณสามารถใช้เส้นโค้งการสอบเทียบนี้เพื่อประมาณค่าพลังงานของเหตุการณ์จริงและรับข้อมูลฟลักซ์สเปกตรัมพลังงานรังสีคอสมิกด้วย IceTop ได้แล้ว

คําแนะนํา: จําไว้ว่าเราจําเป็นต้องปรับอัตราให้เป็นปกติโดยการสัมผัสเครื่องตรวจจับของเรา หากคุณใช้เหตุการณ์ทั้งหมดของสีเดียวการเปิดรับแสงคือ 1/6 วันของข้อมูล IceTop = 8.186 10⁹ m² sr s และอย่าลืมหารด้วยช่วงพลังงานที่ครอบคลุมในแต่ละส่วน

หากคุณต้องการเปรียบเทียบผลลัพธ์กับงานวิจัยจริงโดยคณะ IceCube Collaboration คุณจะได้รับความยินยอมที่ดีกว่าหากคุณใช้ชุดเหตุการณ์ทั้งหมดหกชุดในเครื่องมือออนไลน์ของ IceTop link

ยินดีด้วย! คุณสามารถทำซ้ำการค้นพบงานวิจัยเฉพาะของ IceCube Collaboration ที่เผยแพร่ใน Physical Review D เมื่อเดือนสิงหาคม 2013 คุณสามารถอ่านเอกสารได้ที่นี่ link

ข้อมูลเพิ่มเติม:

อ่านข่าวเกี่ยวกับการวิเคราะห์นี้บนเว็บไซต์ของ IceCube ได้ที่นี่