(Thai – Jiangmen Underground Neutrino Observatory)
ความร่วมมือไทย-จีน
เมื่อวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2560 สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรม ราชกุมารี เสด็จเยือนสถาบันฟิสิกส์พลังงานสูง (Institute of High Energy Physics: IHEP) สังกัดสภาบัณฑิตวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน กรุงปักกิ่ง สถาบันดังกล่าวนี้รับผิดชอบโครงการจูโน พระองค์ทรงประทับเป็นประธานในพิธีลงนามความร่วมมือระหว่างจูโนกับไทย
ประเทศไทยมี 3 หน่วยงาน ได้แก่ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี โดยมีมูลนิธิเทคโนโลยีสารสนเทศตามพระราชดำริฯ ซึ่งช่วยประสานงานร่วมลงนามเป็นพยานด้วย
วัตถุประสงค์เพื่อร่วมมือกับจูโนออกแบบและสร้างระบบขดลวดลดทอนสนามแม่เหล็กโลก (Earth Magnetic Field (EMF) Shielding) ที่รบกวนการทำงานของหน่วยตรวจวัดแสงที่เกิดจากอันตรกิริยาของนิวทริโน ในการทำงานนั้น ฝ่ายไทยได้มีการจัดตั้งภาคีความร่วมมือไทย-จูโน เพื่อดำเนินการให้ฝ่ายไทยได้ทำงานสอดคล้องกับทางประเทศจีน ความร่วมมือประสบความสำเร็จด้วยดีมีทั้งนักวิจัยและนักศึกษาของไทยเข้าร่วมโครงการตลอดมาจนปัจจุบัน นับเป็นการเจริญสัมพันธไมตรีด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ดีระหว่างประเทศทั้งสองตามพระราชดำริของพระองค์ท่าน
จูโน (JUNO)
จูโน มาจากภาษาอังกฤษ JUNO ซึ่งย่อมาจาก Jiangmen Underground Neutrino Observatory เป็นสถานีตรวจวัดนิวทริโนใต้ดินตั้งอยู่ที่เมืองไคผิง (Kaiping) เขตเจียงเหมิน มณฑลกวางตุ้ง ภาคใต้ของประเทศจีน โครงการจูโนจัดตั้งขึ้นเมื่อกรกฎาคม ค.ศ. 2014 การก่อสร้างเริ่มเมื่อ 10 มกราคม ค.ศ. 2015 และคาดว่าจะเริ่มการทดลองได้ตอนปลายปี ค.ศ. 2024 การสนับสนุนงบประมาณหลักมาจากสภาบัณฑิตวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน (Chinese Academy of Sciences: CAS) และบางส่วนจากนานาชาติ จูโนมีวัตถุประสงค์สำคัญเพื่อตรวจวัดลำดับมวลทางควอนตัมของอนุภาคนิวทริโนที่ผลิตออกมาจากโรงไฟฟ้าปรมาณู 2 แห่งคือ หยางเจียง (Yangjiang) และไทชาน (Taishan) ซึ่งโรงไฟฟ้าแต่ละแห่งนี้อยู่ห่างจากจูโนไป 53 กิโลเมตร
ภาพ : CGTN, NASA, sciencefacts
นิวทริโน (Neutrino)
นิวทริโนเป็นอนุภาคที่มีมากมายในเอกภพนี้ อนุภาคที่มีมากกว่าก็เพียงโฟตอนหรืออนุภาคแสงซึ่งมีมากที่สุด หากเรามีแว่นตาวิเศษมองเห็นนิวทริโนได้ เราก็จะเห็นนิวทริโนทั่วท้องฟ้าเหมือนเราเห็นแสงเช่นกัน นิวทริโนมาจากไหน? จากนอกโลกก็มาจากการระเบิดของดาวฤกษ์ตอนหมดอายุขัยเรียกว่าซูเปอร์โนวา หรือมาจากดวงอาทิตย์ หรือมาจากชั้นบรรยากาศของโลก และจากแหล่งอื่นที่ยังไม่ทราบอีก บนโลกเรานี้นิวทริโนมาจากโรงไฟฟ้าปรมาณู เป็นต้น นิวทริโนไร้ประจุ นอกจากนี้ ดั้งเดิมนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า นิวทริโนไร้มวล จึงเป็นเหตุให้นิวทริโนเดินทางด้วยอัตราเร็วที่สูงและทะลุทะลวงผ่านสสารทั่วไปได้โดยไม่ถูกขวางกั้นเนื่องจากนิวทริโนทำอันตรกิริยากับสสารอื่นน้อยมาก ทุกวันนี้ก็มีนิวทริโนวิ่งผ่านตัวเราทั้งวันทั้งคืนแต่ไม่มีอันตรายประการใด ใน ค.ศ. 2015 มีผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบว่า นิวทริโนขณะเดินทาง เช่นจากดวงอาทิตย์หรือจากชั้นบรรยากาศมายังโลกเรา เป็นต้น สามารถเปลี่ยนชนิดไปมาได้ (นิวทริโนมี 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอนนิวทริโน มิวออนนิวทริโน และทาวนิวทริโน) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการแกว่ง (oscillation) และเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่บ่งว่านิวทริโนมิได้ไร้มวลอย่างที่เชื่อกันมาก่อน นิวทริโนมีมวลแน่นอนแม้จะน้อยเท่าไรก็ตาม (น้อยกว่าอิเล็กตรอนถึง 500,000 เท่า)
นักวิทยาศาสตร์ค้นพบสมการของการแกว่งของนิวทริโนแล้วแต่ยังไม่สมบูรณ์แม่นยำเพราะยังขาดข้อมูลสำคัญของสมการเหล่านี้โดยเฉพาะลำดับของมวลไอเก็น 3 ประเภท (หมายเหตุ มวลไอเก็นเป็นมวลทางควอนตัมของนิวทริโน) นิวทริโนแต่ละชนิดดังกล่าวข้างต้น ต่างก็ประกอบด้วยมวลไอเก็น 3 ประเภทในสัดส่วนที่ต่างกัน โครงการจูโนพยายาม ที่จะหาลำดับมวลไอเก็นทั้งสามนี้ว่าใครมากกว่าใคร (หมายเหตุ จูโนมีวัตถุประสงค์อื่นเกี่ยวกับนิวทริโนด้วย เช่น การตรวจวัดและทดลองเกี่ยวกับนิวทริโนจากซูเปอร์โนวา จากชั้นบรรยากาศ จากดวงอาทิตย์และแหล่งอื่นบนโลกเรา)
ตรวจวัดนิวทริโน (Central Detector: CD)
อุปกรณ์การทดลองของจูโนอยู่ใต้ดินลึกราว 700 เมตร ประกอบด้วย ทรงกลมทำหน้าที่ตรวจวัดนิวทริโนกลางเรียกว่า Central Detector ย่อว่า CD ขึ่งถูกล้อมรอบด้วยน้ำทำหน้าที่ตรวจวัดนิวทริโนที่แทรกซ้อน ด้านบนมีเครื่องตรวจวัด (Top Tracker) สำหรับติดตามการทำงานและตรวจเทียบค่า (calibration) ความถูกต้องของการทำงานของอุปกรณ์ (รูปทึ่ 1(a)) น้ำที่ล้อมรอบ CD ช่วยป้องกัน CD จากกัมมันตรังสีที่มาจากสภาพแวดล้อม นอกจากนี้เมื่อทำงานร่วมกับ Top Tracker จะทำงานแจ้งกรณีมีมิวออนที่ไม่ปรารถนา (muon veto) สำหรับ CD นั้นเป็นถังทรงกลมทำจากอะคริลิคขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลาง 35.4 เมตรบรรจุของเหลวให้แสงวับ (liquid scintillator) 20 กิโลตัน
หลอดทวีคูณแสง (Photomultiplier Tube: PMTs)
ถัง CD นี้รองรับด้วยโครงข่ายเหล็กกล้าคล้ายเปลือกหุ้มรอบ CD โครงข่ายลักษณะเปลือกนี้มีระบบหลอดทวีคูณแสง (photomultiplier tubes: PMTs) ติดตั้งอยู่ 2 ชั้น โดยชั้นในใช้เพื่อตรวจวัดแสงวับเมื่อของเหลวในถังตรวจพบนิวทริโนและชั้นนอกคอยตรวจวัดแสงวับที่เกิดจากของเหลวด้านนอกถัง CD ในการทำงานนั้นหากตรวจพบนิวทริโนภายในถังโดยภายนอกไม่แสดงอะไรก็แสดงว่าเป็นนิวทริโนที่เราต้องการ แต่หากภายนอกแสดงด้วย (veto) แสดงว่ามิใช่นิวทริโนที่เราต้องการโดยอาจมาจากแหล่งอื่น ระบบหลอดทวีคูณแสงประกอบด้วยหลอดขนาดใหญ่ 20 นิ้ว (LPMTs) จำนวน 17,612 หลอด และขนาดเล็ก 3 นิ้ว (SPMTs) จำนวน 25,600 หลอด เพื่อให้มั่นใจว่าครอบคลุม 78% ของแสงที่เกิดขึ้น
วัตถุประสงค์สำคัญของจูโน
วัตถุประสงค์สำคัญของการทดลองจูโนนี้ เพื่อตรวจกลไกการแกว่งของนิวทริโนจากการตรวจวัดอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโนจากจากแหล่งกำเนิดของเตาปฏิกรณ์ปรมาณู 2 แห่งห่างออกไปแห่งละ 52.5 กม. รูปที่ผนวก 2(a) แสดงสเปกตรัมหากไม่พบการแกว่ง (เส้นสีดำ) และการแกว่งที่เป็นไปได้ 2 ประการของลำดับมวลไอเก็น (เส้นสีน้ำเงินเป็นลำดับมวลปกติ (normal) และสีแดงเป็นลำดับมวลที่ตรงข้าม (inverted)) ซึ่งคาดว่าจะเห็นจากการทดลองของจูโน
ในปีแรกที่เริ่มเก็บข้อมูลนั้น จูโนมุ่งที่จะวัดพารามิเตอร์ของการแกว่าง 3 ต้วคือ m31 2, △m212 และ sin212 ด้วยความแม่นยำในระดับความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 1% (sub-percent precision) ยิ่งกว่านั้นยังมุ่งวัดลำดับมวลระดับความเชื่อมั่น 3𝜎 ภายใน 6 ปีของการเก็บข้อมูลอีกด้วย
แผนและกำหนดการติดตั้ง
Thai-JUNO in-Kind Contribution ได้ร่วมกันออกแบบและรับผิดชอบค่าใช้จ่ายในการสร้างระบบ Earth Magnetic Field (EMF) Shielding เพื่อลดทอนสนามแม่เหล็กโลกในบริเวณ detector ให้เหลือน้อยกว่า 10% (0.05 G) งบประมาณ 2.212 ล้านหยวน หรือประมาณ 12 ล้านบาท (หน่วยงานละประมาณ 4 ล้านบาท) ซึ่งจะช่วยให้หลอด PMT (photomultiplier tube) ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพและช่วยบรรลุเป้าหมายการทดลองได้ตามแผน
แผนและกำหนดการติดตั้งที่เหลือของการสร้างการทดลอง
| # | Start | End | Condition | |
| 1 | Underground lab construction | 2015.1.1 | 2021.11.25 | |
| 2 | Water pool cleaning and CD construction preparation | 2021.11.26 | 2021.12.10 | 1 |
| 3 | CD & water poll construction/assembly | 2021.12.11 | 2023.4.24 | 2 |
| 4 | CD & VETO PMT, EMF System installation | 2022.9.1 | 2023.5.24 | |
| 5 | CD sealing and water vapor to reduce Rn | 2023.4.25 | 2023.5.9 | 3 |
| 6 | CD ceaning (film removal) | 2023.5.10 | 2023.5.24 | 5 |
| 7 | TT bridge installation | 2023.4.1 | 2023.5.20 | |
| 8 | CD chimney installation | 2023.5.25 | 2023.5.28 | 6,7 |
| 9 | pole PMT installation/Calib. House (sealed with chimney) | 2023.5.29 | 2023.6.3 | 7,8 |
| 10 | water pool cleaning, door/cover installation | 2023.5.16 | 2023.6.9 | 4,9 |
| 11 | VETO water filling/CD water exchange | 2023.6.10 | 2023.8.10 | 10 |
| 12 | S filling | 2023.8.11 | 2024.2.10 | 11 |
| 13 | TT module installation/commissioning | 2023.9.10 | 2024.2.10 | 10,11,12 |
| 14 | Test run | 2024.2.10 | 2024.2.28 |
ความก้าวหน้าการก่อสร้าง
ความก้าวหน้าการก่อสร้าง JUNO Central Detector (CD) และระบบ Thai-JUNO EMF เป็นโครงสร้างเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless steel) ก่อสร้างเสร็จเรียบร้อยเมื่อเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2565 ปัจจุบัน Raising Platform สำหรับงานติดตั้ง PMT panel และอะคริลิคทรงกลม อาคารสำนักงาน ที่พัก และ facility อื่น ๆ สถานีพื้นผิว (Surface Campus) สร้างเสร็จสิ้นแล้ว สำหรับระบบ PMT (Photomultiplier Tube) module และ EMF Shielding system (coils + หัววัดสนามแม่เหล็ก ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า คอมพิวเตอร์ควบคุมและ monitor) อยู่ระหว่างการติดตั้ง
การพัฒนาออกแบบและติดตั้งระบบ
การพัฒนาออกแบบและติดตั้งระบบ Earth Magnetic Field (EMF) Shielding มีการดำเนินงาน ดังนี้
| เดือนปี (ค.ศ.) | การดำเนินงาน |
| เม.ย. 2017 | 3 สถาบันไทย (มทส. จุฬา และ สดร.) เข้าร่วมการทดลอง JUNO (ลงนาม MoU) |
| มิ.ย. 2017 | 3 สถาบันไทย (มทส. จุฬา และ สดร.) จัดตั้งภาคีไทย-จูโน และเริ่มงานการออกแบบระบบ EMF Shielding |
| มิ.ย. 2017 | การประชุมเชิงปฏิบัติการ Workshop on Earth Magnetic Field Shielding for JUNO ร่วมกับทาง IHEP เพื่อ Kick-off การออกแบบและ R&D ที่เกี่ยวข้อง |
| ก.ค. 2017 – มี.ค. 2019 | ภาคีไทย-จูโน ทำงานร่วมกับ VETO working group และสถาบัน IHEP ใน การออกแบบ และ optimize ระบบ EMF Shielding และสรุป final design |
| พ.ค. 2019 | ผ่าน Technical & Science Requirement Review |
| พ.ย. 2019 | The 3rd workshop on EMF Shielding for JUNO จ.กาญจนบุรี |
| เม.ย. 2020 | Production Readiness Review (PRR) สำหรับอุปกรณ์และแผนการติดตั้งระบบ EMF Shielding |
| ธ.ค. 2021 | ภาคีไทย-จูโน ดำเนินการโอนค่าใช้จ่ายสำหรับจัดซื้ออุปกรณ์ระบบ EMF Shielding จำนวน 2.2 ล้านหยวน |
| เม.ย. 2022 | IHEP จัดซื้อ cable สำหรับ EMF Coil และเตรียมงานเสร็จเรียบร้อย ความยาว cable รวมทั้งสิ้น 33 ก.ม. |
| มี.ค. – พ.ค. 2022 | ทีม IHEP ทำการวัดสนามแม่เหล็กในบริเวณ experimental hall ที่สร้าง CD |
| ก.ย. 2022 – พ.ค. 2023 | ติดตั้ง CD และ VETO PMT รวมถึงระบบ EMF Shielding ของภาคีไทย-จูโน |
งานวิจัยและการสร้างกำลังคน
งานวิจัย
- Joint Analysis Foundation Group (AFG) to calibrate the PMT timing parameters for all PMTs in the water pool (Chulalongkorn University)
- Develop the SNiPER software for the PMTs in the water pool (Chulalongkorn University)
- Dark Matter Indirect Detection with JUNO + Optimization for background separation with application of Machine Learning (NARIT & SUT)
- PMT Instrumentations, development of PMT scanning station and magnetic field isolated dark room (SUT)
- เริ่มความร่วมมืองานวิจัยด้าน Dark Matter Indirect Detection ผ่านสัญญาณอนุภาคนิวตริโน กับ University of Tubingen (Prof. Tobias Lachenmaier), Germany เดินทางมาเยี่ยมชมและหารือที่ มทส. และ สดร. 1-10 กันยายน 2565 (SUT& NARIT)
การสร้างกำลังคน
โครงการ ได้มีส่วนในการพัฒนากำลังคนในรูปแบบต่าง ๆ ดังต่อไปนี้
- นายณรงค์เกียรติ รอดภัย, (สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโท ณ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย)
- Graduated in 2021, under the thesis title “20-inch photomultiplier tube timing characterization for Jiangmen Underground Neutrino Observatory” using 3 models of MCP (Chinese) and 1 model of Dynode (Japanese) PMTs (a total of 2399 PMTs)
- “ANSO Scholarship for Young Talents Award 2022” from “Alliance of International Science Organizations (ANSO) for 3 years 2022 – 2025) to study at UCAS under the supervision of Prof. Dr.Yang Changgen and Prof. Dr.Wang Zhimin (IHEP)
- นางสาวจารุจิตต์ ศิริภักดิ์ (กำลังศึกษาระดับปริญญาเอกที่ มทส. และทำงานวิจัยในโครงการจูโนที่เป็นความร่วมมือระหว่าง มทส. และ สดร.)
- Graduated M.Sc. in 2019, SUT, Working on Neutrino from Dark Matter annihilation
- ทุน พสวท. กำลังศึกษา ป.เอก ที่ มทส. “Dark-Matter indirect detection with JUNO”
- เดินทางไปทำงานวิจัยด้านสสารมืดด้วยการทดลอง JUNO ร่วมกับกลุ่มที่ Tubingen University (Prof. Tobias Lachenmaier) ธ.ค. 2565 – พ.ย. 2566
- นำเสนองานวิจัยที่งาน Siam Physics Congress “Machine learning application for dark matter – background classification in JUNO experiment” (ตีพิมพ์ conference proceeding)
- นายคมกริช เหรียญทอง (สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโท ณ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย)
- Just start on LEDs water pool simulation
- Use GEANT4 to simulate the geometry of the LED (Flasher)
- Simulate the light emitting from the LED in the water pool using SNiPER (Software for Noncollider Physics ExpeRiments) software
- Develop the SNiPER software to study the timing response of 2400 PMTs in the water pool
| Way Forword 2023 “การประชุมวิชาการนักเรียนไทยในจีน ครั้งที่ 1”อนุภาคนิวทริโนกับโครงการจูโน (JUNO) |
  ผู้บรรยาย นายณรงค์เกียรติ รอดภัย(Institute of High Energy Physics, University of Chinese Academy of Sciences) คลิปวิดีโอ : https://youtu.be/JIMjZC33fMUเอกสารประกอบ (PDF) : https://www.stsbeijing.org/wp-content/uploads/2023/06/ณรงค์เกียรติ-รอดภัย-Institute-of-High-Energy-Physics-University-of-Chinese-Academy-of-Sciences.pdf |
