เรียนรู้เรื่อง IceTop กับ รังสีคอสมิก

IceTop เป็นเครื่องมือส่วนบนพื้นของ IceCube Neutrino Observatory ไม่เพียงแค่เป็นส่วนเสริมที่สำคัญในการค้นหานิวทริโน แต่ยังเป็นเครื่องมือทรงประสิทธิภาพสำหรับการศึกษารังสีคอสมิกอีกด้วย

ไอซ์ท็อป (IceTop) คืออาเรย์ของอุปกรณ์ตรวจวัดจำนวน 81 แห่ง ครอบคลุมพื้นที่หนึ่งตารางกิโลเมตรบนแผ่นน้ำแข็งแอนตาร์กติกา อุปกรณ์แต่ละแห่งตั้งอยู่ด้านบนของสายเคเบิลของไอซ์คิวบ์ (IceCube) และมีแท้งค์น้ำ 2 ถัง แต่ละถังติดตั้งเซ็นเซอร์ไอซ์คิวบ์หรือ DOMs จำนวน 2 ตัว

ภาพมุมมองจากด้านบนของเครื่องตรวจวัดไอซ์ท็อป (IceTop) ใกล้กับสถานีวิจัย Amundsen-Scott South Pole ที่ทวีปแอนตาร์กติกา จุดกลมแต่ละจุดแสดงสถานีไอซ์ท็อป ตลอดจนตำแหน่งสายเคเบิลของไอซ์คิวบ์ โดยสีของจุดแสดงถึงปีที่ติดตั้งอุปกรณ์

รังสีคอสมิก คือ อนุภาคพลังงานสูงที่มีประจุ ซึ่งพุ่งชนโลกอยู่ตลอดเวลาจากทุกทิศทางมีกำเนิดจากนอกโลก และเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ส่วนใหญ่เป็นนิวเคลียสของอะตอม โดยเฉพาะโปรตอน แต่ก็ยังรวมถึง อิเล็กตรอน, โพซิตรอน, และอนุภาคย่อยของอะตอมอื่น ๆ ด้วย 

เมื่ออนุภาคเหล่านี้เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ มันจะชนกับอนุภาคที่อยู่ในชั้นบรรยากาศ เกิดเป็นอนุภาคทุติยภูมิจำนวนมากที่พื้นผิวโลก ไอซ์ท็อปถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับอนุภาคทุติยภูมิที่มีประจุ โดยการตรวจจับอนุภาคหลายตัวจากเหตุการณ์เดียวกัน จะช่วยให้ประเมินพลังงานและทิศทางของรังสีคอสมิกที่เข้ามาได้

ไอซ์ท็อปสามารถตรวจจับรังสีคอสมิกได้ในช่วงพลังงานตั้งแต่ประมาณ 100 TeV ถึง 1 EeV โดยไม่ว่าจะทำงานแบบเดี่ยวหรือทำงานร่วมกับ IceCube ก็สามารถบอกได้ถึง (spectrum) พลังงานสูงของรังสีคอสมิก และองค์ประกอบของมัน (สัดส่วนของโปรตอนหรือนิวเคลียสที่หนักกว่าในฟลักซ์รังสีคอสมิก) และการกระจายของทิศทางที่มาของรังสีคอสมิก

เราสามารถเรียนรู้อะไรได้บ้างจากรังสีคอสมิก?

คุณรู้หรือไม่ว่า อนุภาคที่มีพลังงานสูงที่สุดเท่าที่เคยตรวจวัดได้นั้นคือ รังสีคอสมิก! มันมีพลังงานมากกว่า 1020 eV ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานจลน์ของลูกเบสบอลที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 100 ไมล์ต่อชั่วโมงเลยทีเดียว! จริงๆแล้ว ถ้าลูกเบสบอลสามารถถูกเร่งความเร็วได้เหมือนรังสีคอสมิก มันจะมีพลังงานเพียงพอที่จะรองรับประชากรโลกได้นานถึง 1 ล้านปีเลยนะ!

สเปกตรัมพลังงานของรังสีคอสมิก นักฟิสิกส์ใช้หน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในการวัดพลังงานและมวลของอนุภาคที่อยู่ในย่านสัมพันธภาพ (relativistic particles) ปฏิกิริยาทางเคมีทั่วไปเกิดขึ้นในช่วงพลังงานระดับ eV ในขณะที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นในช่วง MeV (หนึ่งล้าน eV) เครื่องยิงอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกอย่างเครื่อง LHC (Large Hadron Collider) สามารถเร่งอนุภาคได้สูงถึงระดับ TeV (หนึ่งล้าน MeV) แต่ทว่ารังสีคอสมิกนั้นมีพลังงานสูงกว่าระดับหลายร้อย EeV (หนึ่งล้าน TeV) เลยทีเดียว Image: http://bit.ly/17gvx8C

การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับรังสีคอสมิกช่วยให้เราค้นหาสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดในจักรวาลของเรา แต่ทว่ารังสีคอสมิกมีประจุไฟฟ้า ซึ่งจะถูกเบี่ยงเบนทิศทางโดยสนามแม่เหล็กในกาแล็กซีของเราและบริเวณอื่นๆ สนามแม่เหล็กเหล่านี้จะทำให้ทิศทางที่มาของรังสีคอสมิกกระจัดกระจาย ส่งผลให้เราไม่สามารถระบุแหล่งกำเนิดของมันได้โดยตรง

รังสีคอสมิกจากกาแล็กซีมีแหล่งกำเนิดมาจากบริเวณต่างๆ ทั่วทางช้างเผือก เนื่องจากเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า พวกมันจึงแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation) ซึ่งสามารถติดตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของมันผ่านกาแล็กซีของเราได้ ตัวอย่างเช่น ซากระเบิดของดาวฤกษ์ (supernova remnant) เป็นที่ทราบกันดีว่า เนบิวลาปู (Crab Nebula) เป็นแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิก จากการตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอนุภาคอิเล็กตรอนของรังสีคอสมิกที่กำลังหมุนวนไปตามสนามแม่เหล็กของซากระเบิดของดาวฤกษ์ (supernova remnant)

นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่า วัตถุท้องฟ้าอื่นๆ หลายชนิด ภายในหรือภายนอกกาแล็กซีของเรา อาจเป็นแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกพลังงานสูงมากได้ แต่ทฤษฎีเหล่านี้ยังไม่มีการพิสูจน์แน่ชัด ในความเป็นจริง เรายังรู้จักข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดหรือคุณสมบัติของรังสีคอสมิกพลังงานสูงเพียงน้อยนิด โดยเฉพาะรังสีคอสมิกที่มีแหล่งกำเนิดนอกกาแล็กซี ซึ่งจัดเป็นประเภทที่หายากมาก (ดูภาพประกอบด้านบน)

เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ อย่าง IceTop และ IceCube สามารถวัดตัวอย่างเหตุการณ์เหล่านี้ได้จำนวนมากในแต่ละปี ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาคุณสมบัติของรังสีคอสมิกพลังงานสูง นอกจากนี้ IceCube ยังทำการค้นหาแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกพลังงานสูงมากด้วยการใช้อนุภาค นิวทริโน (เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับนิวทริโนได้ที่นี่) (learn more about this here.)

บทความนี้จัดทำโดยนักเขียนวิทยาศาสตร์มืออาชีพ อ่านบทความเพิ่มเติมที่เขียนโดย Rob D Young ได้ที่นี่ หรือที่ rdywriting.com