ล่าอนุภาคปริศนา: เครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลก

นิวตริโนเป็นอนุภาคที่แปลกประหลาดและเล็กจิ๋ว ไม่มีประจุไฟฟ้า และแทรกซึมอยู่ในแทบทุกมุมของจักรวาล หากไม่มีเครื่องมือที่ซับซ้อนและมีความไวสูง นักฟิสิกส์คงไม่มีทางรู้ว่าพวกมันมีอยู่จริง อันที่จริง มีนิวตริโนนับล้านล้านอนุภาคทะลุผ่านร่างกายของคุณทุกวินาที

นักฟิสิกส์คิดค้นวิธีต่างๆ นานาเพื่อล่อให้นิวตริโนเข้ามาอยู่ในระยะที่ตรวจจับได้ แต่ IceCube ซึ่งฉลองครบรอบ 20 ปีในปีนี้ โดดเด่นเป็นพิเศษด้วยการติดตั้งที่ไม่เหมือนใคร: เซ็นเซอร์ดิจิทัล 5,160 ตัวยึดติดอยู่กับธารน้ำแข็งขนาดมหึมาในแอนตาร์กติกา เมื่อเร็วๆ นี้ กลุ่ม IceCube Collaboration ได้กำหนดขีดจำกัดบนที่เข้มงวดที่สุดสำหรับสถิติสำคัญของนิวตริโนพลังงานสูงพิเศษ ซึ่งมักพบภายในรังสีคอสมิก นอกจากนี้ ยังมีกำหนดจะได้รับการอัปเดตทางเทคโนโลยีครั้งใหญ่ในปลายปีนี้ ซึ่งจะทำให้เครื่องตรวจจับ ซึ่งเป็นหนึ่งในการทดลองนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลกอยู่แล้ว มีขนาดใหญ่และแข็งแกร่งยิ่งกว่าเดิม

Gizmodo ได้ติดต่อ Carlos Argüelles-Delgado นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และผู้เชี่ยวชาญด้านนิวตริโนที่อยู่กับ IceCube มาตั้งแต่ปี 2011 เมื่อการทดลองเริ่มดำเนินการจริงในแอนตาร์กติกา เราได้พูดคุยกับ Argüelles-Delgado เกี่ยวกับเหตุผลที่ IceCube ตั้งอยู่ในแอนตาร์กติกา ความสำเร็จที่โดดเด่นจากการดำเนินงาน 20 ปีของการทดลอง และสิ่งที่เราคาดหวังได้จาก IceCube-Gen2 ที่กำลังจะมาถึง การสนทนาต่อไปนี้ได้รับการแก้ไขเล็กน้อยเพื่อให้ถูกต้องตามหลักไวยากรณ์และความชัดเจน

Gayoung Lee, Gizmodo: มาเริ่มกันที่ประเด็นหลัก ทำไมนักฟิสิกส์ถึงตัดสินใจว่าแอนตาร์กติกาเป็นสถานที่ที่ดีในการค้นหานิวตริโน

Argüelles-Delgado: ใช่ คุณมีปัญหาที่ยากสองอย่างรวมกัน คุณกำลังมองหาบางสิ่งที่หายากมาก ซึ่งสร้างสัญญาณที่เล็กมาก เมื่อเทียบกันแล้ว คุณต้องการสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอย่างดี และสามารถสร้างสัญญาณขนาดใหญ่โดยมีสัญญาณรบกวนน้อย

โครงการ IceCube เป็นโครงการที่ค่อนข้างบ้าถ้าคุณคิดดู แนวคิดคือเราจะใช้ธารน้ำแข็งสูงประมาณ 2.5 กิโลเมตร ซึ่งเป็นตัวกลางที่โปร่งใสที่สุดแห่งหนึ่งบนโลก เราจะติดตั้งเซ็นเซอร์วัดแสงที่มีความไวสูงมาก (เรียกว่า digital optical modules) ที่สามารถตรวจจับอนุภาคแสงเดี่ยวที่เรียกว่าโฟตอน ดังนั้น คุณจึงมีแถวของเครื่องตรวจจับแสงที่ครอบคลุมพื้นที่ 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นพื้นที่มืดมิด เมื่อนิวตริโนมาจากอวกาศ มันสามารถทำปฏิกิริยากับบางสิ่งในน้ำแข็งและสร้างแสง นั่นคือสิ่งที่เราเห็น

Gizmodo: เป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่านิวตริโนคืออะไร พวกมันฟังดูเหมือนสิ่งที่นักฟิสิกส์อนุภาคปั่นออกมา แต่ในบางครั้งพวกมันก็ถูกพูดถึงในบริบทของการทดลองเช่น IceCube ซึ่งค้นหานิวตริโนจากอวกาศ จริงๆ แล้วนิวตริโนคืออะไร ทำไมจึงรู้สึกเหมือนว่าพวกมันปรากฏอยู่ในทุกแวดวงของฟิสิกส์

Argüelles-Delgado: นั่นเป็นคำถามที่ดี เหตุผลหนึ่งที่นิวตริโนปรากฏในบริบทที่แตกต่างกันมาก ตั้งแต่ฟิสิกส์อนุภาคไปจนถึงจักรวาลวิทยาหรือฟิสิกส์ดาราศาสตร์ คือนิวตริโนเป็นอนุภาคพื้นฐาน พวกมันเป็นอนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นเล็กๆ ได้ เช่นเดียวกับอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับที่เราใช้อิเล็กตรอนในห้องปฏิบัติการ เรายังใช้อิเล็กตรอนในการตรวจจับปรากฏการณ์ทางกายภาพ

นิวตริโนมีความพิเศษเพราะเรามีคำถามเปิดเกี่ยวกับพฤติกรรมและคุณสมบัติของพวกมัน และเกี่ยวกับจักรวาลในระบอบพลังงานสูงสุด ที่ที่เราสังเกตรังสีคอสมิก ดังนั้น การสังเกตนิวตริโนในรูปแบบใหม่ในระดับพลังงานใหม่จึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเสมอ เมื่อคุณพยายามที่จะเข้าใจบางสิ่งที่มีความลึกลับ คุณจะมองมันจากทุกมุม เมื่อมีมุมมองใหม่ คุณจะถามว่า “นั่นคือสิ่งที่เราคาดว่าจะเห็นหรือไม่ นั่นไม่ใช่สิ่งที่เราคาดว่าจะเห็นหรือไม่”

Gizmodo: ในจิตวิญญาณของการพยายามหามุมมองใหม่ๆ เพื่อไขปริศนา อะไรที่ทำให้ IceCube แตกต่างจากเครื่องตรวจจับนิวตริโนอื่นๆ

Argüelles-Delgado: มันใหญ่มาก! IceCube มีขนาดใหญ่กว่าการทดลองนิวตริโนที่เราสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการถึงล้านเท่า มันใหญ่มาก เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับจำนวนสิ่งที่คุณกำลังสำรวจ ยิ่งปริมาตรมากเท่าใด คุณก็ยิ่งมีโอกาสที่จะเห็นอะไรบางอย่างมากขึ้นเท่านั้น สำหรับนิวตริโนพลังงานสูงพิเศษ [ที่มาจากอวกาศ] คุณมักจะคิดถึงสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ ภูเขา ธารน้ำแข็ง ทะเลสาบ ภูมิทัศน์ที่เปลี่ยนเป็นเครื่องมือทดลอง

Gizmodo: แอนตาร์กติกาไม่ใช่สถานที่ที่คุณสามารถบินไปได้ง่ายๆ ด้วยตั๋วเครื่องบิน ความท้าทายอะไรบ้างที่มาจากสภาวะที่ไม่เหมือนใครในสถานที่ห่างไกลแห่งนี้

Argüelles-Delgado: คุณพูดถูก การขนส่งมีความซับซ้อนมาก คุณต้องขนส่งส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ และคุณต้องแน่ใจว่าเมื่อคุณใส่อะไรลงไปในน้ำแข็ง มันจะใช้งานได้ เหมือนกับเมื่อคุณใส่อะไรลงไปในดาวเทียมบนยานอวกาศ เมื่อมันอยู่ที่นั่นแล้ว คุณไม่สามารถแก้ไขได้ มันอยู่ที่นั่นเท่านั้น ดังนั้น ข้อกำหนดด้านคุณภาพจึงสูงมาก และมีความท้าทายหลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือการเจาะรูจริง ผ่านสองขั้นตอน สว่านกลทำให้เกิดรูนำทางรูแรก จากนั้นเราใช้สว่านน้ำร้อนแรงดันสูงที่ทำขึ้นเอง ซึ่งจะปั๊มน้ำเพื่อแกะสลักธารน้ำแข็ง อีกส่วนหนึ่งคือสายเคเบิล สายเคเบิลใน IceCubes มีความพิเศษมาก [ถือ] เครื่องมือที่แปลงโมดูลเป็นดิจิทัล ซึ่งช่วยให้คุณมีคุณภาพการประมวลผลสัญญาณที่ดีขึ้น

Gizmodo: การอัปเกรดที่จะเกิดขึ้นกับ IceCube คืออะไร และทำไมจึงจำเป็น

Argüelles-Delgado: การอัปเกรดมีสองหน้าที่ หนึ่งในนั้นคือเราต้องเข้าใจธารน้ำแข็งที่ IdceCube ฝังอยู่ให้ดีขึ้น เห็นได้ชัดว่าเราไม่ได้สร้างธารน้ำแข็งนั้น เราแค่ใส่อะไรลงไปในธารน้ำแข็ง และยิ่งเราเข้าใจธารน้ำแข็งและคุณสมบัติทางแสงของมันได้ดีขึ้น เช่น แสงเดินทางในธารน้ำแข็งนั้นอย่างไร เราก็จะสามารถทำฟิสิกส์นิวตริโนได้ดีขึ้น ดังนั้นเราจะติดตั้งกล้องและแหล่งกำเนิดแสงจำนวนมากเพื่อพยายามสำรวจธารน้ำแข็งให้ดีขึ้น

นอกจากนี้เรายังติดตั้งเซ็นเซอร์ใหม่จำนวนมากสำหรับ IceCube รุ่นที่ใหญ่กว่า ซึ่งเรียกว่า IceCube-Gen2 เมื่อคุณทำวิทยาศาสตร์ คุณต้องการทดสอบสิ่งใหม่ๆ แต่ยังต้องการวัดสิ่งต่างๆ ด้วย เราจะไม่สามารถขยายปริมาตรของเครื่องตรวจจับได้ แต่เราจะวาง [เซ็นเซอร์] ไว้ในส่วนที่อยู่ด้านในสุดของเครื่องตรวจจับ เพื่อให้เราสามารถวัดนิวตริโนพลังงานต่ำใน IceCube ได้ดีขึ้น

นิวตริโนพลังงานต่ำมีความสำคัญ เพราะที่พลังงานต่ำ นิวตริโนจะประสบกับปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสั่นของรสชาติ ซึ่งหมายความว่านิวตริโน เมื่อเดินทางจากด้านหนึ่งของโลกไปยังอีกด้านหนึ่ง จะเปลี่ยนชนิด นั่นเป็นปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมในระดับจุลทรรศน์ IceCube แสดงให้เห็นหนึ่งในการวัดทางฟิสิกส์ที่ดีที่สุดนั้น

Gizmodo: คุณเป็นส่วนหนึ่งของการเดินทางของ IceCube มาตั้งแต่เริ่มต้น ในมุมมองของคุณ จุดเด่นหลักๆ ที่การทดลองนี้ได้สำเร็จคืออะไร

Argüelles-Delgado: ประการแรก เราค้นพบว่ามีนิวตริโนพลังงานสูงพิเศษในจักรวาล สิ่งเหล่านี้ตรวจจับได้ยาก แต่ไม่หายากนักในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานของจักรวาล หรือปริมาณพลังงานต่อหน่วยปริมาตรที่มีอยู่ในจักรวาลระหว่างโปรตอน นิวตริโน และแสง พวกมันคล้ายกันมาก และ IceCube ได้สร้างความสัมพันธ์นี้ขึ้น เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราได้เห็นภาพถ่ายแรกของกาแล็กซีของเราในนิวตริโน

IceCube กับการค้นพบอนุภาคปริศนา

สิ่งที่อยู่ในใจของฉันมากคือการแปลงรสชาติในกลศาสตร์ควอนตัม เราคิดว่านิวตริโนถูกสร้างขึ้นเป็นหลักในรูปของนิวตริโนชนิดอิเล็กตรอนและมิวออน ตอนนี้เมื่อพวกมันเดินทางผ่านอวกาศ เนื่องจากผลกระทบทางกลศาสตร์ควอนตัมเหล่านี้ พวกมันสามารถแปลงเป็นนิวตริโนทาว ซึ่งเดิมไม่มีอยู่ในการผลิต ใน IceCube เราได้พบหลักฐานสำคัญของนิวตริโนทาวต่างๆ ที่ระดับพลังงานสูง สิ่งที่น่าทึ่งเกี่ยวกับเรื่องนี้คือ นิวตริโนเหล่านั้นสามารถผลิตได้และมาถึงเราได้ก็ต่อเมื่อกลศาสตร์ควอนตัมทำงานในระยะทางที่ยาวนานมาก

เครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลก กับการค้นหาความจริง

Gizmodo: เมื่อพิจารณาถึงจุดเด่นเหล่านี้ สิ่งที่คุณตั้งตารอมากที่สุดต่อไปคืออะไร

Argüelles-Delgado: มีสองสิ่งที่ฉันพบว่าน่าตื่นเต้นมากในฟิสิกส์ดาราศาสตร์นิวตริโน สิ่งหนึ่งคือพฤติกรรมควอนตัมของนิวตริโน และเราไม่เข้าใจว่าพวกมันได้มาซึ่งมวลของพวกมันได้อย่างไร อนุภาคส่วนใหญ่ เมื่อมีมวล จะมีสองสถานะที่ทำปฏิกิริยากับฮิกส์โบซอนเพื่อสร้างมวลของพวกมัน นิวตริโน ด้วยเหตุผลบางอย่าง เราเห็นเพียงหนึ่งในสถานะเหล่านี้ สิ่งที่ฉันตื่นเต้นคือการค้นหาการแปลงรสชาติใหม่ของนิวตริโนพลังงานสูงมาก ในบางสถานการณ์เหล่านี้ เราอาจมีความคิดบางอย่างเกี่ยวกับกลไกมวลของนิวตริโน

ประการที่สองคือ เราได้เห็นอนุภาคที่มีพลังงานมากกว่าผลผลิตของ LHC [ลำอนุภาค] ถึง 1,000 เท่า ดังนั้น จะมีอนุภาคอื่นๆ อีกที่ปลายด้านบนของนิวตริโนหรือไม่ นี่คือจุดจบของเรื่องราวหรือเปล่า สิ่งที่น่าสนใจคือการทดลองที่เรียกว่า KM3NeT ในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน ได้รายงานการสังเกตนิวตริโนที่ [100,000] เท่าของลำแสง LHC ฉันคิดว่ามันแปลก คุณรู้ไหมว่าเมื่อคุณเห็นสิ่งแปลกๆ เกิดขึ้น มักจะหมายความว่าคุณไม่เข้าใจอะไรบางอย่าง ดังนั้นเราจึงต้องเข้าใจปริศนานั้น

Gizmodo: ในระดับ 1 ถึง 10 มีความเป็นไปได้มากน้อยเพียงใดที่เราจะไขปริศนาเหล่านี้ได้

Argüelles-Delgado: หากเราค้นพบว่าธรรมชาติของมวลนิวตริโนเกิดจากปรากฏการณ์การสั่นของควอนตัมที่พลังงานสูง นี่จะเป็นเหมือนการค้นพบรางวัลโนเบล เพราะมันเป็นเรื่องใหญ่มาก ฉันจะให้คุณอย่างดีที่สุด 1%

Gizmodo: ฉันว่านั่นก็ดีแล้ว

Argüelles-Delgado: ฉันว่ามันก็ดีแล้ว ใช่ ให้ 1% ฉันคิดว่าเราจะไขปริศนาของระบอบพลังงานสูงพิเศษ นั่นเป็นเรื่องของเวลา จะพาเราไปอย่างน้อยอีก 15 ปี แต่มันจะเป็นดินแดนใหม่โดยสิ้นเชิง เราจะได้เห็นสิ่งที่รอเราอยู่ เมื่อ IceCube เริ่มเห็นนิวตริโนตัวแรก เราสับสนมาก เพราะเราไม่ได้คาดหวังว่าจะได้เห็นพวกมันแบบนี้ ใช่ไหม และถ้าความสับสนทั้งหมดเกิดขึ้นเรื่อยๆ เราจะได้พบผลลัพธ์ที่น่าสนใจมากกว่านี้

การศึกษาเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลก ทำให้เราเข้าใกล้ความเข้าใจจักรวาลมากขึ้น แม้ว่าโอกาสสำเร็จอาจจะดูน้อยนิด แต่ความพยายามเหล่านี้คุ้มค่าที่จะติดตาม

ที่มา – Antarctica’s Ghost Hunters: Inside the World’s Biggest Neutrino DetectorPhysicist Carlos Argüelles-Delgado gives us an introduction to this one-of-a-kind facility, one of the most successful neutrino detectors in the world.