»»»  แสดงพื้นที่สำหรับนักเรียนอภิปราย/เสนอความคิดเห็นเกี่ยวกับหัวข้อ/คอนเซ็ปต์  แสดงพื้นที่สำหรับกิจกรรม »»»

กล้องโทรทรรศน์ไอซ์คิวบ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อสังเกตนิวทริโนที่พลังงานประมาณหนึ่งในสิบ TeV (เทราอิเล็กตรอนโวลต์ = 10¹² อิเล็กตรอนโวลต์) วัตถุนอกระบบสุริยะของเราที่พลังงาน PeV หรือเพตะอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีค่าหนึ่งพัน TeVs (PeV = 1015 อิเล็กตรอนโวลต์) คาดว่าจะเป็นแหล่งกำเนิดหลักของนิวทริโน

อย่างไรก็ตาม ต้องขอบคุณเครื่องตรวจจับย่อย DeepCore ซึ่งมีเซ็นเซอร์แสงเพิ่มเติมในส่วนลึกตรงกลางของเครื่องตรวจจับ ทำให้ IceCube สามารถตรวจจับนิวทริโนที่มีพลังงานต่ำถึง 50 GeV ได้อีกด้วย

นิวทริโนที่ตรวจพบโดยไอซ์คิวบ์มาจากไหน

พลังงานของนิวทริโนนั้นไม่ว่าต่ำหรือสูงต่างบอกเราเกี่ยวกับวิธีการและสถานที่ที่นิวทริโนถูกสร้างขึ้น

นิวทริโนพลังงานต่ำส่วนใหญ่ผลิตขึ้นในกระบวนการนิวเคลียร์ เช่น กระบวนการในดวงอาทิตย์หรือในใจกลางของซูเปอร์โนวาที่ระเบิด นิวทริโนพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่านิวทริโนส่วนเหลือหรือนิวทริโนพื้นหลังของเอกภพ (CNB) ซึ่งคล้ายกับไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) แต่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับเอกภพที่มีอายุมากกว่านั้น นั่นคือเพียงสองวินาทีหลังจากบิกแบง

ไอซ์คิวบ์ไม่สามารถตรวจจับนิวทริโนฟลักซ์พลังงานต่ำเหล่านี้ได้

นิวทริโนพลังงานสูงสร้างขึ้นจากการชนกันของอนุภาคพลังงานสูง เช่น การชนกันของรังสีคอสมิกกับชั้นบรรยากาศของโลก ช่วงพลังงานของพวกมันมีตั้งแต่ไม่กี่ MeV (เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ = 10⁶ อิเล็กตรอนโวลต์) ไปจนถึงหนึ่งในสิบของ PeV

ที่พลังงานรุนแรงมากขึ้นในช่วงพลังงานที่ตั้งแต่ไม่กี่ TeV ไปจนถึง 10 PeV นั้นเป็นนิวทริโนที่สร้างขึ้นในหรือใกล้กับวัตถุที่รุนแรงที่สุดในจักรวาลของเรา ซึ่งขับเคลื่อนโดยหลุมดำและดาวนิวตรอน

เมื่อนิวทริโนถูกเร่งให้มีพลังงานสูงกว่า 1016 อิเลคตรอนโวลต์ หรือ 10 PeV จะเรียกว่านิวทริโนพลังงานสูงพิเศษ (UHE) หรือนิวทริโนจากคอสโมเจนิก (cosmogenic neutrinos) ซึ่งเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างรังสีคอสมิกพลังงานสูงพิเศษ (UHECR) กับรังสีคอสมิกพื้นหลังไมโครเวฟ (CMB)

นิวทริโนที่มีพลังงานประมาณ 1 PeV คาดว่าจะเกิดอันตรกิริยาขณะเดินทางผ่านโลกในอัตราประมาณ 1 เหตุการณ์ต่อปีต่อกิโลเมตร2 ในขณะที่นิวทริโนที่มีพลังงานประมาณ 100,000 PeV หรือ 1020eV จะมีอัตรกิริยาที่อัตรา 1 เหตุการณ์ต่อศตวรรษต่อ km² เท่านั้น .

ไอซ์คิวบ์สามารถวัดนิวทริโนด้วยพลังงานที่สูงกว่าไม่กี่สิบ GeV ได้  ซึ่งช่วยให้สามารถวัดฟลักซ์ของนิวทริโนในชั้นบรรยากาศและนอกโลกได้ ไอซ์คิวบ์จะไวต่อการวัดพลังงานที่อยู่สูงกว่าระดับ TeV ซึ่งคาดว่าฟลักซ์จากนอกโลกจะมีความโดดเด่นมากในช่วงพลังงานนี้ 

หากการคาดการณ์ของเราเกี่ยวกับฟลักซ์นิวทริโน UHE นั้นถูกต้อง ไอซ์คิวบ์ซึ่งมีขนาดลูกบาศก์กิโลเมตรจะต้องทำงานด้วยประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมเป็นเวลาหลายปีจึงจะสามารถวัดนิวทริโนเหล่านั้นได้จำนวนมาก ถึงกระนั้น การตรวจจับนิวทริโน UHE แม้แต่ตัวเดียวก็จะเป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมแล้วสำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์นิวทริโน

ไอซ์คิวบ์ตรวจจับนิวทริโนอย่างไร?

ไอซ์คิวบ์สังเกตนิวทริโนได้โดยอ้อมเท่านั้น นิวทริโนพลังงานสูงมากที่เดินทางผ่านจักรวาลและชนนิวเคลียสของอะตอมในน้ำแข็งโดยบังเอิญจะถูกสังเกตจากอันตรกิริยาของอนุภาคทุติยภูมิกับน้ำแข็ง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากนิวทริโนหนึ่งตัวจะสร้างกระแสอนุภาคที่ทำให้เกิดการระเบิดของแสงสีน้ำเงิน ที่เรียกว่าแสงเชเรนคอฟ (ดูวิดีโอด้านล่าง) แสงที่ส่องแสงระยิบระยับนี้ตรวจพบโดยชุดเซ็นเซอร์แสงที่เรียกว่า DOM ซึ่งแข็งตัวอยู่ในน้ำแข็ง

นักวิจัยของ IceCube ได้สร้างการแสดงผลที่สวยงามและให้ข้อมูลเพื่อแสดงข้อมูลที่รวบรวมโดยเซ็นเซอร์มากกว่า 5,000 ตัว ในการแสดงเหตุการณ์ เซ็นเซอร์แต่ละตัวจะแสดงเป็นทรงกลม ซึ่งขนาดจะขึ้นกับขนาดตามจำนวนแสง/ประจุที่บันทึกไว้ รหัสสีแสดงเวลาที่แสงมาถึง ตั้งแต่สีแดง (แสงตอนแรก) ไปจนถึงสีเขียวไปจนถึงสีน้ำเงิน (แสงตอนหลัง)

รูปแบบแสงและปริมาณพลังงานที่วัดโดย DOM ช่วยให้นักวิจัยสามารถประมาณพลังงานและทิศทางของนิวทริโนที่เข้ามา และมักจะทำให้ได้เรียนรู้เกี่ยวกับชนิด (flavor) ของนิวทริโน

ในรูปด้านบน แสดงซิกเนเจอร์หรือรูปแบบของนิวทริโนที่แตกต่างกันสามแบบ

• รูปแบบปฏิกิริยาต่อเนื่องทางด้านซ้ายเป็นซิกเนเจอร์ทั่วไปของอิเล็กตรอนนิวทริโน ซึ่งทำอันตรกิริยาในเครื่องตรวจวัดและทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องของอนุภาค
• เมื่อมิวออนนิวทริโนมีอันตรกิริยาไอซ์คิวบ์ (รูปกลาง) จะเกิดมิวออนเป็นอนุภาคทุติยภูมิ มิวออนจะเคลื่อนที่ตัดผ่านเครื่องตรวจจับทั้งหมดโดยทิ้งร่องรอยแสงไว้ในเครื่องตรวจจับ
• ซิกเนเจอร์ที่สาม (รูปขวา) หรือเรียกอีกอย่างว่าซิกเนเจอร์ของการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องสองครั้ง ผลิตโดยเทานิวทริโน ซึ่งทำอันตรกิริยากับน้ำแข็งทำให้เกิดน้ำตกฮาโดรนิก (น้ำตกสีแดงครั้งแรก) และเทาซึ่งสลายตัวเกือบจะในทันทีทำให้เกิดอนุภาคน้ำตกที่สอง (น้ำตกที่สองสีเขียว)

อย่างไรก็ตามไอซ์คิวบ์ไม่เพียงตรวจวัดนิวทริโนเท่านั้น แต่ยังตรวจวัดมิวออนที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างรังสีคอสมิกส์กับชั้นบรรยากาศของโลก ในความเป็นจริง มีการตรวจพบ 1,000,000 มิวออนต่อนิวทริโนแต่ละตัวที่พบใน IceCube ซึ่งคุณคงเดาได้ว่าบางครั้งมันก็ยากที่จะดูว่าสัญญาณในเครื่องตรวจจับมาจากมิวออนหรือนิวทริโนหรือไม่ ซิกเนเจอร์ของมิวออนในไอซ์คิวบ์โดยทั่วไปจะเป็นร่องรอยของมิวออนที่ตกลงมาจากชั้นบรรยากาศ

ตอนนี้ถึงตาคุณแล้ว: ลองทายซิว่าอนุภาคใดที่ทำให้เกิดเหตุการณ์เหล่านี้ในไอซ์คิวบ์ Particle ID Quiz

อัลเดน แอล. โค้ก เป็นประธานของ AQUA-FLO นอกจากนี้ยังเป็นนักเขียนด้านเทคนิคและวิทยาศาสตร์มืออาชีพ คุณสามารถอ่านบทความของเขาได้ที่นี่หรือที่ article here or at writeondeadline.com