สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ทรงมีพระมหากรุณาธิคุณเป็นองค์ประธานในพิธีลงนามความร่วมมือระหว่างทั้งสามสถาบันของไทยกับสถาบันฟิสิกส์พลังงานสูง (Institute of High Energy Physics) หรือ IHEP ในการทดลอง Jiangmen Underground Neutrino Observatory หรือ JUNO ในวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2560 ณ IHEP กรุงปักกิ่ง สาธารณรัฐประชาชนจีน

     สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ทอดพระเนตรต้นแบบ photomultiplier tube ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นิ้ว ที่ใช้ในการทดลอง JUNO

     (จากซ้ายมาขวา) รศ. บุญรักษา สุนทรธรรม ผู้อำนวนการสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ ศ. ดร.ประสาท สืบค้า อธิการบดีมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี Prof. Yifang Wang Director of IHEP และ ศ. ดร.บัณฑิต เอื้ออาภรณ์ อธิการบดีจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมลงนามในบันทึกความร่วมมือในการทดลอง JUNO

    JUNO : การทดลองอนุภาคนิวทริโนในห้องปฏิบัติการใต้ดิน

    JUNO เป็นการทดลองที่เน้นการตรวจวัดอนุภาคนิวทริโนโดยเฉพาะ ขณะนี้อยู่ระหว่างการก่อสร้าง คาดว่าจะแล้วเสร็จและเริ่มการทดลองได้ในปี พ.ศ. 2565 จะเป็นเครื่องตรวจวัดนิวทริโนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก มีขนาด 40 เมตร (สูงกว่าอาคาร 10 ชั้น) และอยู่ที่ระดับความลึก 700 เมตรใต้ชั้นหิน เมืองเจียงเหมิน มณฑลกวางตุ้ง ประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีน ปัจจุบันมีสมาชิกทั้งหมด 77 สถาบัน จาก 17 ประเทศทั่วโลก ทั้งในทวีปเอเชีย ยุโรป อเมริกาเหนือและอเมริกาใต้ โดยได้รับการอนุมัติจากรัฐบาลจีนเมื่อปี พ.ศ. 2557 ด้วยงบประมาณ 300 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณหนึ่งหมื่นล้านบาท) วัตถุประสงค์หลักของการทดลองจูโนคือ การศึกษาลำดับมวลของนิวทริโน และการเปลี่ยนชนิดของนิวทริโนที่มีความแม่นยำมากขึ้น ด้วยเครื่องตรวจวัดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบัน โดยมีเป้าหมายที่จะเป็นการทดลองแรกของโลกที่สามารถวัดลำดับมวลของนิวทริโนได้เป็นผลสำเร็จ

     นิวทริโน (neutrino) เป็นอนุภาคมูลฐานที่มีอยู่มากมายในธรรมชาติเป็นอันดับสองรองจากโฟตอนหรืออนุภาคแสง มีมวลน้อยมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง และตรวจจับได้ยากมาก สมบัติดังกล่าวยังไม่สามารถอธิบายได้ครอบคลุมด้วยทฤษฎีฟิสิกส์ในปัจจุบัน จำเป็นที่จะต้องมีผลการทดลองที่ละเอียดแม่นยำเพิ่มเติมเพื่อให้สามารถสร้างทฤษฎีที่ถูกต้องมาอธิบายธรรมชาติเหล่านี้ได้ นักวิทยาศาสตร์พบว่า นิวทริโนมีอยู่ด้วยกัน 3 ชนิด (flavor) ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวทริโน (ν_e) มิวออนนิวทริโน (ν_μ) และทาวนิวทริโน (ν_τ) ด้วยความที่มันมีมวลน้อยมาก และไม่มีประจุไฟฟ้า จึงสามารถเคลื่อนที่ไปในอวกาศได้อย่างอิสระโดยแทบไม่เกิดอันตรกิริยากับสนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้าและสนามโน้มถ่วงเลย มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่เกิดอันตรกิริยากับอะตอมด้วยแรงอ่อน (weak force) จึงทำให้การทดลองตรวจวัดนิวทริโนเป็นการทดลองที่มีความท้าทายเป็นอย่างมาก แหล่งกำเนิดนิวทริโนที่สำคัญได้แก่ ดวงอาทิตย์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การชนของรังสีคอสมิกกับอะตอมในชั้นบรรยากาศ การระเบิดแบบยิ่งยวดของดาวฤกษ์ (ซูเปอร์โนวา) รวมไปถึงปรากฏการณ์พลังงานสูงของวัตถุอื่น ๆ ในจักรวาล เช่น นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (Active Galactic Nuclei) การระเบิดของรังสีแกมมา (Gamma Ray Burst) และการระเบิดของคลื่นวิทยุแบบฉับพลัน (Fast Radio Burst) เป็นต้น

     เครื่องตรวจวัดนิวทริโน ประกอบด้วยทรงกลมอะครีลิกขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลาง 35.4 เมตร ภายในบรรจุซินทิลเลเตอร์เหลว (liquid scintillator) 20 กิโลตัน ตั้งอยู่ในบ่อน้ำบริสุทธิ์เพื่อทำหน้าที่ป้องกันกัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ รอบทรงกลมอะครีลิกจะมีหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) จำนวนมากติดตั้งอยู่ เมื่อนิวทริโนเกิดอันตรกิริยากับอะตอมของธาตุในซินทิลเลเตอร์เหลว จะมีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น เมื่ออนุภาคเหล่านี้เคลื่อนผ่านซินทิลเลเตอร์เหลว จะมีการปล่อยแสงวับ (scintillation light) ออกมา เมื่อแสงดังกล่าวตกกระทบ PMT จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้นใน PMT ซึ่งจากตำแหน่งของ PMT ที่แสงไปตกกระทบ และปริมาณอิเล็กตรอนในแต่ละหลอด ทำให้เราสามารถตรวจวัดสัญญาณนิวทริโนและพลังงานของนิวทริโนได้

แผนภาพลักษณะโครงสร้างของเครื่องตรวจวัดนิวทริโนในการทดลอง JUNO

     อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำของการตรวจวัดสัญญาณนิวทริโนขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการตรวจวัดอิเล็กตรอนของ PMT เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า สนามแม่เหล็กโลกจึงมีผลต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนใน PMT ดังนั้น จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องลดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กโลก วิธีหนึ่งที่จะลดผลกระทบดังกล่าวคือ การสร้างสนามแม่เหล็กล้อมรอบบริเวณที่ติดตั้ง PMT เพื่อหักล้างกับสนามแม่เหล็กโลก หรือเรียกว่า Earth Magnetic Field (EMF) Shielding การลดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กโลกจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพการทำงานของ PMT และความสำเร็จของการทดลอง JUNO

     ด้วยเหตุนี้ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จึงได้ลงนามร่วมกันในการจัดตั้งเป็นภาคีความร่วมมือไทย-จูโน (Thai-JUNO Consortium) ในวันที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2560 เพื่อสร้างเครือข่ายความร่วมมือทางวิชาการระหว่างทั้งสามสถาบัน และเสริมสร้างความเข้มแข็งด้านการวิจัย ตลอดจนการพัฒนาและผลิตบุคลากร และส่งเสริมความรู้ด้านฟิสิกส์ของนิวทริโนและด้านอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง และร่วมกันกับนักวิจัยจาก IHEP ในการออกแบบและก่อสร้าง EMF shielding สำหรับการทดลอง JUNO เป็นการพัฒนาและประยุกต์ใช้องค์ความรู้ทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้าของประเทศไปใช้ประโยชน์ในเวทีโลก นับเป็นครั้งแรกที่คนไทยจะได้ร่วมสร้างเครื่องมือขนาดใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีซับซ้อนในระดับแนวหน้าของโลก นับเป็นก้าวที่สำคัญอีกก้าวหนึ่งของการพัฒนาวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของประเทศ การทำงานร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ระดับแนวหน้าของโลกจำนวนหลายร้อยคนเพื่อร่วมกันค้นหาคำตอบของปัญหาที่สำคัญ เป็นสิ่งที่นักวิจัยในประเทศไทยจะได้เรียนรู้วิธีการดำเนินการวิจัย การพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูง และการบริหารจัดการโครงการวิจัยขนาดยักษ์ นับเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ทางการวิจัยและพัฒนาของประเทศได้อย่างครบวงจร

พิธีลงนามบันทึกข้อตกลงความร่วมมือทางวิชาการ โครงการความร่วมมือไทย-จูโน วันพุธที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2560 ณ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ผู้บริหารและทีมนักวิจัยไทยในภาคีความร่วมมือไทย-จูโน

1st JUNO EMF Workshop 18 – 23 July 2017 at Bayview Hotel Pattaya

2nd JUNO EMF Workshop 6 – 8 April 2018 at Chulalongkorn University