รัสเซียติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ใต้น้ำ ตรวจจับอนุภาคผี “นิวทริโน” ที่ก้นทะเลสาบไบคาล

ทีมนักวิทยาศาสตร์ของรัสเซียและอีกหลายประเทศในยุโรปตะวันออก ได้ร่วมกันติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ Bikal Gigaton Volume Detector หรือ “ไบคาล – จีวีดี” (Bikal-GVD) อุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคนิวทริโน (neutrino) ขนาดใหญ่ที่สุดของซีกโลกเหนือ โดยหย่อนมันลงใต้ผืนน้ำเย็นยะเยือกของทะเลสาบไบคาลในเขตไซบีเรียตอนใต้

หลังจากดำเนินการก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์ดังกล่าวมาตั้งแต่ปี 2015 ในที่สุดทางโครงการก็ได้ลงมือติดตั้งไบคาล – จีวีดี ซึ่งเป็นเซนเซอร์ตรวจจับอนุภาคนิวทริโนในครอบแก้วที่ผลิตขึ้นหลายตัว โดยเจาะช่องสี่เหลี่ยมในผืนน้ำแข็งแล้วหย่อนเซนเซอร์ลงใต้น้ำด้านล่าง ให้กระจายกันอยู่เป็นบริเวณกว้างในทะเลสาบไบคาล ซึ่งเป็นทะเลสาบที่มีความลึกมากที่สุดของโลกถึง 1,700 เมตร

มีการจัดวางให้ไบคาล – จีวีดีลอยตัวอยู่ห่างจากฝั่งราว 4 กิโลเมตร ที่ระดับความลึก 750 – 1,300 เมตร ครอบคลุมพื้นที่ใต้น้ำที่มีผืนน้ำแข็งหนาปกคลุมอยู่ทั้งสิ้น 0.5 ลูกบาศก์กิโลเมตร ทำให้มันเป็นอุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคนิวทริโนที่ใหญ่เป็นอันดับสองของโลก รองจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ “ไอซ์คิวบ์” (IceCube) ที่ขั้วโลกใต้ ซึ่งติดตั้งเซนเซอร์ใต้น้ำครอบคลุมพื้นที่ด้านล่างของผืนน้ำแข็งถึง 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร

อนุภาคนิวทริโนหรือ “อนุภาคผี” (Ghost particle) คืออนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่งที่ตรวจจับได้ยากมาก เนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้า ทั้งมีมวลอยู่น้อยมากเหมือนกับไม่มี สามารถทะลุผ่านวัตถุได้โดยไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยาใด ๆ ขึ้นทั้งสิ้น ซึ่งคล้ายกับภูตผีปีศาจ ตามปกติแล้วนิวทริโนราว 1 แสนล้านอนุภาค เคลื่อนผ่านพื้นที่ขนาดเท่าปลายนิ้วของเราไปในทุกวินาที

ความพยายามที่จะตรวจจับนิวทริโนให้ได้เพื่อศึกษาถึงคุณสมบัติของมัน จะช่วยไขปริศนาต่าง ๆ เกี่ยวกับแบบจำลองพื้นฐานทางฟิสิกส์อนุภาค สสารมืด และแรงชนิดต่าง ๆ ในเอกภพที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจหรือยังค้นหาไม่พบ

เหตุที่ทะเลสาบไบคาลมีความเหมาะสมในการติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ตรวจจับนิวทริโนนั้น เนื่องจากเป็นแหล่งน้ำจืดขนาดใหญ่ที่ใสสะอาด และมีผืนน้ำแข็งหนาปกคลุมในฤดูหนาวนานถึงกว่าสองเดือนในแต่ละปี ซึ่งการอยู่ใต้ทะเลสาบที่มีลักษณะเช่นนี้จะช่วยป้องกันเซนเซอร์ไม่ให้ถูกรบกวนจากรังสีคอสมิกและสัญญาณต่าง ๆ ที่นอกเหนือไปจากการปรากฏตัวขึ้นของนิวทริโน

สำหรับการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ไบคาล – จีวีดีนั้น ภายในตัวเซนเซอร์จะมีท่อซึ่งเปลี่ยนอนุภาคของแสงหรือโฟตอนให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยเมื่อนิวทริโนเคลื่อนผ่านตัวกลางโปร่งใสเช่นน้ำในทะเลสาบ ด้วยความเร็วที่สูงกว่าแสงขณะเคลื่อนผ่านตัวกลางเดียวกัน จะทำให้เกิดปรากฎการณ์ที่เรียกว่า “การแผ่รังสีเชเรนคอฟ” (Cherenkov radiation) โดยมีแสงสีฟ้าเปล่งออกมาเป็นสัญญาณว่าได้พบอนุภาคนิวทริโนเข้าแล้ว

หลังจากนี้ รัสเซียยังมีแผนความร่วมมือในอนาคตกับเยอรมนี โปแลนด์ สโลวาเกีย และสาธารณรัฐเช็ก ในการต่อเติมขยายพื้นที่ของกล้องโทรทรรศน์ไบคาล – จีวีดี เป็น 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร ภายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าด้วย