ตามล่า “อนุภาคผี” (Ghost Particle) ดักจับนิวทริโนจากอวกาศ

ราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนมอบ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2026 ให้แก่ ฟรานซิส ฮัลเซน (Francis Halzen) แห่งมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน–เมดิสัน สหรัฐอเมริกา สำหรับผลงานสำคัญต่อหอสังเกตการณ์นิวทริโน IceCube และการค้นพบนิวทริโนพลังงานสูงที่มีต้นกำเนิดจากแหล่งทางดาราศาสตร์ โดยฮัลเซนเป็นผู้ริเริ่มแนวคิดและหัวหน้านักวิจัย (Principal Investigator) ของโครงการ IceCube เครื่องตรวจวัดนิวทริโนขนาดมหึมาที่ฝังอยู่ใต้แผ่นน้ำแข็งในทวีปแอนตาร์กติกา

 

 

ทำไมการค้นพบนี้จึงมีความสำคัญ

การค้นพบนี้เปิดมุมมองใหม่ในการศึกษาจักรวาล เพราะนอกจากแสงและคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว นักดาราศาสตร์ยังสามารถใช้นิวทริโนพลังงานสูงเป็นอีกช่องทางในการศึกษาปรากฏการณ์จากห้วงอวกาศ รวมถึงช่วยไขปริศนาแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกพลังงานสูง จากหลักฐานที่ชี้ว่านิวทริโน รังสีแกมมา และรังสีคอสมิกอาจมีต้นกำเนิดจากแหล่งเดียวกัน

 

ความสำเร็จของ IceCube ยังสะท้อนพลังของความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ที่เปลี่ยนแนวคิดทางทฤษฎีให้กลายเป็นเครื่องมือวัดที่แม่นยำ โดยฮัลเซนมีบทบาทสำคัญตั้งแต่การพัฒนาแนวคิด การก่อสร้าง ไปจนถึงการดำเนินงานวิจัยต่อเนื่องมากว่า 3 ทศวรรษ

 

การตรวจวัดนิวทริโนทำได้ยาก และมีความสำคัญมาก

นิวทริโน (neutrino) เป็นอนุภาคมูลฐานที่เบามาก ไม่มีประจุไฟฟ้า และแทบไม่ทำอันตรกิริยากับสสาร ในทุกขณะมีนิวทริโนจำนวนมหาศาลเดินทางผ่านร่างกายและทะลุผ่านโลกไปโดยที่เราไม่รู้สึก การที่นิวทริโนจะชนกับนิวเคลียสของอะตอมจึงเกิดขึ้นได้ยากมาก จนได้รับฉายาว่า “Ghost Particle” หรือ “อนุภาคผี” แต่คุณสมบัติที่ทำให้ตรวจจับได้ยากนี้เอง กลับทำให้นิวทริโนเป็น “ผู้ส่งสารจากจักรวาล” ที่มีคุณค่า เพราะไม่ถูกสนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนทิศทางเหมือนรังสีคอสมิก และสามารถเดินทางผ่านสสารหนาแน่นได้ จึงนำข้อมูลจากเหตุการณ์ที่อยู่ห่างไกลในจักรวาลมาถึงเราได้

 

เครื่องเร่งอนุภาคตามธรรมชาติ (cosmic accelerators)

นักฟิสิกส์ทราบมานานแล้วว่า ในเอกภพมี “เครื่องเร่งอนุภาคตามธรรมชาติ” (cosmic accelerators) ที่สามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคบนโลกอย่างมหาศาล รังสีคอสมิกที่ตรวจวัดได้มีพลังงานสูงถึงราว 10²⁰ eV ขณะที่เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ของ CERN เร่งโปรตอนได้ถึงระดับพลังงาน 7 X 10¹² eV อย่างไรก็ตามเรายังไม่ทราบแน่ชัดว่าเครื่องเร่งอนุภาคเหล่านี้คืออะไร อยู่ที่ไหน และมีกลไกอย่างไร เพราะรังสีคอสมิกเป็นอนุภาคมีประจุ จึงถูกสนามแม่เหล็กในอวกาศเบี่ยงเบนทิศทางระหว่างเดินทางมายังโลก

 

เมื่อลำโปรตอนของรังสีคอสมิกถูกเร่งจนมีพลังงานสูงและชนกับก๊าซหรือโฟตอนบริเวณรอบแหล่งกำเนิด จะเกิดอนุภาค ไพออน (pion) ซึ่งสามารถสลายตัวต่อไปได้ 2 แบบ โดยไพออนเป็นกลาง (∏⁰) สลายตัวเป็นรังสีแกมมา ส่วนไพออนมีประจุ (∏⁺) สลายตัวเป็นนิวทริโน ด้วยเหตุนี้ นิวทริโนพลังงานสูงจึงเป็นเสมือนร่องรอยสำคัญที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตามหาแหล่งเร่งอนุภาคพลังงานสูงในเอกภพได้

 

เปลี่ยนน้ำแข็งขั้วโลกใต้ให้เป็นเครื่องตรวจวัดนิวทริโน

เนื่องจากนิวทริโนพลังงานสูงจากจักรวาลมีจำนวนน้อยมาก การตรวจจับจึงต้องอาศัยตัวกลางขนาดใหญ่ในระดับ ลูกบาศก์กิโลเมตร ฮัลเซนจึงเสนอแนวคิดให้ใช้น้ำแข็งใต้ขั้วโลกใต้เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องตรวจวัดนิวทริโนขนาดมหึมา

 

เมื่อนิวทริโนชนกับนิวเคลียสในน้ำแข็งจะทำให้เกิดอนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสงในตัวกลางจนเกิด รังสีเชเรนคอฟ (Cherenkov radiation) และปล่อย แสงเชเรนคอฟ (Cherenkov light) ออกมา คล้ายกับคลื่นกระแทกจากเครื่องบินที่บินเร็วกว่าเสียง จากนั้นเซนเซอร์ตรวจวัดแสงจะจับสัญญาณดังกล่าว เพื่อนำไปวิเคราะห์ย้อนกลับถึงพลังงานและทิศทางของนิวทริโน

 

ความเป็นมาของโครงการ IceCube
แนวคิดการตรวจจับนิวทริโนด้วยตัวกลางขนาดใหญ่เริ่มมาตั้งแต่ช่วง ค.ศ. 1960 โดยมีการเสนอให้ใช้น้ำปริมาณมหาศาลเป็นตัวกลางสำหรับตรวจจับแสงเชเรนคอฟ ก่อนที่โครงการ DUMAND ที่ฮาวายจะพยายามพัฒนาเครื่องตรวจวัดในทะเลลึกแต่ไม่สำเร็จ ต่อมาในช่วง ค.ศ. 1987–1988 ฟรานซิส ฮัลเซน และ John Learned เสนอให้ใช้น้ำแข็งขั้วโลกใต้เป็นทั้งตัวเป้าหมายและตัวกลางเชเรนคอฟ เนื่องจากมีความใสและมีสัญญาณรบกวนน้อย

 

แนวคิดนี้ได้รับการพิสูจน์ผ่านโครงการ AMANDA ในช่วง ค.ศ. 1993–2000 ซึ่งพัฒนาเทคนิคติดตั้งสายเซนเซอร์ลงในหลุมที่เจาะด้วยน้ำร้อนแรงดันสูง และตรวจพบนิวทริโนจากชั้นบรรยากาศได้สำเร็จในปี 2001 จนกลายเป็นต้นแบบของ IceCube ต่อมาโครงการ IceCube ได้รับอนุมัติทุนจาก NSF ในปี 2002 และเริ่มก่อสร้างในปี 2004 ก่อนจะติดตั้งแล้วเสร็จสมบูรณ์ในปี 2011

 

IceCube: กล้องโทรทรรศน์นิวทริโนใต้ชั้นน้ำแข็ง
IceCube เป็นเครื่องตรวจวัดนิวทริโนขนาดมหึมาที่ฝังอยู่ใต้ชั้นน้ำแข็งใกล้สถานีแอมันด์เซน–สก็อตต์ ณ ขั้วโลกใต้ ครอบคลุมปริมาตรราว 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร หรือมีมวลเป้าหมายประมาณ 1 พันล้านตัน ที่ความลึกราว 1,450–2,450 เมตร ภายในประกอบด้วยสายวัดสัญญาณ 86 เส้น แต่ละเส้นติดตั้งเซนเซอร์แสง Digital Optical Module (DOM) จำนวน 60 ตัว รวมมากกว่า 5,000 ตัว

ระบบของ IceCube สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง โดยมีเวลาใช้งานมากกว่า 99% นับตั้งแต่สร้างเสร็จ นอกจากนี้ยังมี IceTop ซึ่งเป็นอาร์เรย์ตรวจวัดบนผิวน้ำแข็ง ทำหน้าที่ตรวจจับ cosmic-ray air shower และช่วยคัดกรองสัญญาณรบกวน เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการตรวจวัดนิวทริโนจากอวกาศ

 

ร่องรอยของนิวทริโนที่ IceCube ตรวจวัดได้
IceCube ตรวจพบร่องรอยของนิวทริโนหลัก ๆ 2 ลักษณะ ได้แก่ สัญญาณรอยเส้นทางที่เกิดจากนิวทริโนชนิดมิวออนวิ่งผ่านเครื่องตรวจวัดเป็นเส้นยาวให้ทิศทางแม่นยำ และสัญญาณแบบกลุ่มก้อน ซึ่งปรากฏเป็นกลุ่มแสงทรงกลมสามารถใช้ในการวัดพลังงานได้แม่นยำแต่ทิศทางหยาบกว่า โดยสถานีตรวจวัดต้องแยกนิวทริโนจากอวกาศออกจากสัญญาณรบกวนที่เกิดในชั้นบรรยากาศโลก เช่น มิวออนและนิวทริโนที่เกิดจากรังสีคอสมิก ทีมวิจัยจึงใช้โลกเป็นตัวกรองมิวออน และเทคนิค “starting event” ที่ใช้บริเวณชั้นนอกของเครื่องตรวจวัดเป็นเกราะคัดกรองสัญญาณรบกวน

 

การค้นพบสำคัญ
IceCube พบหลักฐานสำคัญของนิวทริโนพลังงานสูงจากอวกาศในปี 2013 ก่อนที่ในปี 2017 จะตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูงจากทิศทางเดียวกับวัตถุทางดาราศาสตร์เบลซาร์ TXS 0506+056 ซึ่งนำไปสู่การติดตามสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก และกลายเป็นหลักฐานสำคัญในการเชื่อมโยงนิวทริโนกับแหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์

ต่อมาในปี 2022 IceCube พบหลักฐานนิวทริโนราว 80 เหตุการณ์ จากทิศทางของกาแล็กซี NGC 1068 (M77) และในปี 2023 พบหลักฐานการแผ่นิวทริโนพลังงานสูงจากระนาบทางช้างเผือก ก่อนที่การวิเคราะห์ข้อมูลที่สะสม 12 ปีในปี 2026 จะยืนยันการแผ่นิวทริโนพลังงานสูงจากระนาบทางช้างเผือกได้อย่างมีนัยสำคัญยิ่งขึ้น นับเป็นอีกก้าวสำคัญของการใช้ “อนุภาคผี” เป็นเครื่องมือสำรวจจักรวาล

 

 

ประเทศไทยกับ IceCube
ประเทศไทยมีบทบาทในงานวิจัยนิวทริโนระดับโลกผ่าน โครงการความร่วมมือไทย–ไอซ์คิวบ์ตามพระราชดำริ (Thai-IceCube Collaboration) อันเกิดจากพระวิสัยทัศน์ของ สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา ฯ สยามบรมราชกุมารี ที่ทรงส่งเสริมให้นักวิจัย นักฟิสิกส์ และนักศึกษาไทยได้ร่วมงานกับ IceCube และศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์อนุภาคไอซ์คิวบ์แห่งวิสคอนซิน (Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center - WIPAC) มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน (University of Wisconsin–Madison) ทั้งด้านการวิจัย การพัฒนาอุปกรณ์ การพัฒนาบุคลากรรุ่นใหม่ การสนับสนุนโครงการพานักฟิสิกส์ไทยไปปฏิบัติงานที่สถานีขั้วโลกใต้เพื่อร่วมทำภารกิจปรับปรุงเครื่อง IceCube รวมถึงการสร้างเครือข่ายความร่วมมือด้านวิทยาศาสตร์ขั้วโลกในระดับนานาชาติ พระวิสัยทัศน์ยังครอบคลุมถึง โครงการ JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) ในสาธารณรัฐประชาชนจีน ซึ่งศึกษาสมบัติพื้นฐานของนิวทริโนอย่างแม่นยำ ความร่วมมือเหล่านี้ช่วยเปิดโอกาสให้สถาบันวิจัยและมหาวิทยาลัยของไทยเข้ามามีส่วนร่วมในโครงการฟิสิกส์อนุภาคระดับโลก และเสริมสร้างศักยภาพนักวิจัยไทยในระยะยาว

 

 

 

     การลงนามความร่วมมือในโครงการ JUNO

 

 

 

   

 นักศึกษาไทยในโครงการ IceCube