องค์การวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ของออสเตรเลีย Australia’s Nuclear Science and Technology Organization หรือที่เรียกโดยย่อว่า ANSTO ได้เปิดทำการห้องปฏิบัติการใหม่เพื่อใช้ศึกษาเรื่องสสารมืด โดยสร้างขึ้นในพื้นที่ของเหมืองทองคำลึกลงไปใต้ดิน 1 กิโลเมตร

ห้องปฏิบัติการนี้มีชื่อว่า SUPL (Stawell Underground Physics Laboratory) ภายในมีเครื่องตรวจจับสสารมืด SABRE ซึ่งจะใช้สำหรับตรวจจับสัญญาณเพื่อยืนยันถึงการมีอยู่ของสสารมืดในเอกภพ โดยห้องปฏิบัติการนี้ถือเป็นแห่งแรกของซีกโลกใต้

สสารมืดคือ สสารอย่างหนึ่งในเอกภพที่ไม่เคยมีใครพบเห็นแต่เป็นที่รู้กันถึงการมีอยู่ของมัน ว่ากันว่าสสารมืดเป็นสสารส่วนใหญ่ของเอกภพคิดเป็นสัดส่วนมากถึง 85%

การศึกษาเรื่องสสารมืดในระยะเริ่มแรกนั้นมาจากการพยายามหาคำอธิบายปรากฎการณ์แรงโน้มถ่วง ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วปรากฎการณ์แรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในเอกภพนั้นไม่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์หากในเอกภพไม่มีสสารมากกว่าที่มีการตรวจพบรับรู้กันในตอนนั้น จึงเป็นที่มาของการเรียกสสารลึกลับที่ไม่อาจมองเห็นได้ และไม่อาจตรวจพบได้โดยอุปกรณ์หรือระบบตรวจจับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กใดๆ ต่อมาจึงมีการศึกษาเกี่ยวกับสสารดำเพิ่มเติม และหนึ่งในนั้นคือการตรวจจับสิ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของสสารดำ ซึ่งห้องปฏิบัติการ SULP เองก็ถูกสร้างขึ้นเพื่อการนั้น

การก่อสร้างดัดแปลงพื้นที่เหมืองทองคำเป็นห้องปฏิบัติการ SUPL

หัวใจสำคัญในห้องปฏิบัติการ SUPL ก็คือเครื่องตรวจจับสสารดำ SABRE ซึ่งย่อมาจาก Sodium iodide with Active Background Rejection ตัวเครื่องมีลักษณะเป็นภาชนะขนาด 2.6*3.1 เมตร สร้างจากโลหะที่ไม่ปลดปล่อยรังสีใดๆ ภายในบรรจุของเหลวซึ่งเป็นสาร scintillator ซึ่งหมายถึงสสารอันมีคุณสมบัติพิเศษที่จะเรืองแสงเมื่อมันโดนอนุภาคพุ่งชน (แต่อนุภาคสสารมืดไม่ทำให้มันเรืองแสง) และภายในสาร scintillator คือผลึก sodium iodide ที่มีความบริสุทธิ์สูงใช้เพื่อการตรวจจับอนุภาคที่เป็นสสารมืดโดยเฉพาะ รอบๆ ตำแหน่งของผลึกและสาร scintillator คืออุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคแสงที่เรียกว่า PMTs (photomultiplier tubes)

ภาพแสดงโครงสร้างและชิ้นส่วนองค์ประกอบต่างๆ ภายในเครื่องตรวจจับสสารมืด SABRE

หลักการทำงานของระบบตรวจจับสสารมืดใน SABRE นี้ อธิบายโดยง่ายคือเมื่ออนุภาคสสารมืดเคลื่อนที่ผ่านเครื่อง อนุภาคดังกล่าวจะไปทำให้ผลึก sodium iodide เกิดการส่องสว่างขึ้น ซึ่งเมื่อถึงเวลานั้นอุปกรณ์ตรวจจับอนุภาคแสง PMTs ก็จะรับรู้ได้ถึงการเกิดขึ้นของปฏิกิริยาจากสสารมืด

อย่างไรก็ตามตัวผลึก sodium iodide นั้นมีความไวมาก มันอาจเกิดการส่องสว่างเนื่องจากการตรวจจับอนุภาคชนิดอื่นที่ไม่ใช่สสารมืดได้ด้วยเช่นกัน ดังนั้นจึงต้องมีการใช้ของเหลว scintillator เข้ามาช่วยคัดกรองผลการตรวจจับสิ่งที่ไม่ใช่สสารมืดออก หากเกิดเหตุการณ์ที่มีอนุภาคอื่นใดมากระตุ้นให้สาร scintillator เรืองแสงจนอุปกรณ์ตรวจจับแสง PMTs ที่อยู่ในส่วนบรรจุสาร scintillator ทำงานด้วย ระบบของ SABRE ก็จะรับรู้ว่านั่นไม่ใช่อนุภาคสสารมืด

เครื่องตรวจจับสสารมืด SABRE ในช่วงก่อนถูกนำไปติดตั้งในห้องปฏิบัติการ SUPL

และเนื่องจากความไวของระบบตรวจจับอนุภาคใดๆ ของเครื่อง SABRE นี่เอง จึงเป็นที่มาของการเลือกใช้พื้นที่เหมืองทองคำลึกลงไปใต้ดิน 1 กิโลเมตรเป็นพื้นที่ตั้งห้องปฏิบัติการเพื่อลดการรบกวนโดยรังสีคอสมิกซึ่งส่วนใหญ่มาจากแหล่งกำเนิดนอกระบบสุริยะ

เหมืองทองคำนี้ตั้งอยู่ในเมือง Stawell อยู่ห่างจาก Melbourne ไปทางตะวันตกเฉียงเหนือราว 240 กิโลเมตร โดยเมือง Stawell นั้นเกิดขึ้นจากการค้นพบทองคำและมีการเริ่มทำเหมืองในปี 1858 ก่อนที่กิจการเหมืองหลายแห่งจะค่อยๆ ซบเซาลงไปในเวลาต่อมา จนกระทั่งปี 2014 จึงเริ่มมีการเสนอแผนสร้างห้องปฏิบัติการ SUPL โดยขอใช้พื้นที่ส่วนหนึ่งของเหมืองทองคำจุดที่หยุดการขุดแร่แล้วของบริษัทเหมือง Stawell Gold Mine มาปรับเปลี่ยนเป็นห้องปฏิบัติการยาว 33 เมตร, กว้าง 10 เมตร และสูง 12.3 เมตร

แบบจำลอง 3 มิติของห้องปฏิบัติการ SUPL

นอกเหนือจากสภาพของชั้นหินและดินที่ห่อหุ้มห้องปฏิบัติการจะช่วยป้องกันอนุภาคไม่พึงประสงค์ไปรบกวนการทำงานของเครื่องตรวจจับสสารมืด SABRE โดยธรรมชาติแล้ว ตัวเครื่องเองยังถูกหุ้มด้วยโลหะและพอลิเมอร์น้ำหนักรวม 110 ตันเพื่อเสริมการป้องกันให้แน่นหนาขึ้นอีก

การติดตั้งเครื่องตรวจจับสสารมืด SABRE นี้เป็นการสร้างศูนย์ตรวจจับสสารมืดแห่งที่ 2 ต่อจากเครื่องตรวจจับ DAMA/Libra ซึ่งถูกติดตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ Laboratori Nazionali del Gran Sasso อันเป็นห้องปฏิบัติการที่ถูกสร้างขึ้นใต้ดินในประเทศอิตาลี และจากนี้ไปห้องปฏิบัติการคู่แฝดคนละฟากโลกนี้จะร่วมกันศึกษาเรื่องสสารมืดต่อไป

ที่มา – Interesting Engineering, New Atlas, ABC