เดวิด รูฟโฟโล
งานวิจัย

งานวิจัยที่ ศ.ดร. เดวิด รูฟโฟโล ทำร่วมกับนิสิต นักศึกษา และผู้ร่วมงานหลายคน ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกัมมันตรังสีรอบโลก โดยได้พัฒนาการวัดการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศ ซึ่งเรียกว่า “รังสีคอสมิก” และอนุภาคที่มีพลังงานมากพอ (มากกว่าประมาณ 1 GeV) จะมีปฏิกิริยานิวเคลียร์ในบรรยากาศโลก จนผลิต “showers” ที่มีอนุภาคทุติยภูมิจำนวนมาก มีอนุภาคแบบนี้ผ่านร่างกายของมนุษย์หลายร้อยอนุภาคต่อวินาที และที่ผ่านมาอนุภาคจากรังสีคอสมิกได้มีบทบาทในการกลายพันธุ์ทางชีววิทยาและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต	ทั้งนี้ บรรยากาศของโลกมีบทบาทหลัก และสนามแม่เหล็กโลกมีบทบาทรองในการป้องกันมนุษย์จากรังสีคอสมิกโดยตรง แต่เมื่อมนุษย์ขึ้นเครื่องบินหรือขึ้นไปในอวกาศ รังสีคอสมิกอาจเป็นภัยต่อสุขภาพ ดาวเทียมและยานอวกาศได้รับผลกระทบบ่อยโดยกัมมันตรังสีในอวกาศ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหนึ่งของ“สภาพอวกาศ” ที่แปรปรวนอย่างมากเนื่องจากลมสุริยะและพายุสุริยะ ถึงแม้ว่าพายุสุริยะไม่เคยฆ่ามนุษย์และไม่เคยทำให้สิ่งปลูกสร้างถล่ม แต่เคยทำให้ไฟฟ้าดับและเคยทำลายดาวเทียมและยานอวกาศที่ใช้สำหรับการสื่อสารหรือสาเหตุอื่น ๆ ที่ส่งผลกระทบต่อกิจกรรมทางเศรษฐกิจในอวกาศและในบรรยากาศโลก ดังนั้น จึงมีความสนใจอย่างมากในการศึกษารังสีคอสมิกและพายุสุริยะ 
รังสีคอสมิกมีสององค์ประกอบหลักคือ อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ (solar energetic particles; SEPs) จากพายุสุริยะ และรังสีคอสมิกจากกาแล็กซี (Galactic cosmic rays; GCRs) ที่มาจากการระเบิดซูเปอร์โนวานอกระบบสุริยะของเรา ณ ที่อื่นในกาแล็กซี GCRs เข้ามาตลอดเวลาจากทุกทิศทุกทางโดยมักจะมีพลังงานเกิน 1 GeV จึงสามารถวัดอนุภาคทุติยภูมิจาก GCRs ด้วยเครื่องวัดบนพื้นดิน โดยเฉพาะ“เครื่องตรวจวัดนิวตรอน” ที่วัดนิวตรอนทุติยภูมิ และทำให้วัดการเปลี่ยนแปลงในฟลักซ์ของ GCRs ได้แม่นยำมาก ถึงระดับ 0.1% ส่วน SEPs มาเป็นครั้งเป็นคราวด้วยจำนวนมากหลังเกิดพายุสุริยะ แต่มีพายุสุริยะจำนวนน้อยที่สร้างฟลักซ์ของไอออนเกิน 1 GeV ที่วัดได้(เหนือ “สัญญาณรบกวน” จาก GCRs) ในระดับพื้นดินเหตุการณ์เช่นนี้เรียกว่าการเพิ่มที่ระดับพื้นดิน (ground level enhancement; GLE) โดย GLE เป็นสิ่งที่น่าเป็นห่วง เพราะไม่สามารถคาดการณ์ได้ และนานๆ ครั้งจะมีกัมมันรังสีรอบโลกเพิ่มอย่างมาก โดยเฉพาะใกล้ขั้วโลก ซึ่งเป็นตำแหน่งที่อนุภาคตํ่ากว่า 1 GeV สามารถผ่านสนามแม่เหล็กโลกได้
หลังจากเดินทางมาประเทศไทย ศ.ดร. เดวิด รูฟโฟโล เริ่มงานวิจัยหลายด้าน และได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานในวารสารวิจัยระดับนานาชาติที่เป็นที่ยอมรับ ดังนี้
1. การพัฒนาวิธีการแก้สมการด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อจำลองการขนส่งของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์มาถึงโลก โดยคำนึงถึงผลของลมสุริยะ
2. การคิดวิธีวิเคราะห์ข้อมูลอนุภาคพลังงานสูงจากพายุสุริยะ พร้อมการจำลองการขนส่งอนุภาคอย่างแม่นยำ จนสามารถหาอัตราต่อเวลาที่อนุภาคออกจากพายุสุริยะ
3. การศึกษาผลกระทบของเชือกฟลักซ์แม่เหล็กในระบบสุริยะ เนื่องจากพายุสุริยะต่อการขนส่งของอนุภาคพลังงานสูงจากพายุสุริยะครั้งต่อไป และต่อรังสีคอสมิกจากกาแล็กซี
4. การพัฒนาโปรแกรมจำลองการขนส่งของอนุภาคพลังงานสูง เพื่อศึกษาผลกระทบของคลื่นกระแทกต่อประชากรอนุภาคข้างหน้าคลื่นกระแทกซึ่งสามารถใช้ในการพยากรณ์ล่วงหน้าก่อนคลื่นกระแทกจากพายุสุริยะจะกระทบกับโลก
5. การคิดทฤษฎีการเร่งของอนุภาค ณ คลื่นกระแทกในเวลาจำกัด และพิสูจน์ด้วยการเทียบกับผลการสังเกตด้วยยานอวกาศ
6. การอธิบาย "dropouts" ในอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ ในรูปของโครงสร้างความปั่นป่วนที่มี wave vectors ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเฉลี่ย
7. การช่วยคิดวิธีอธิบายที่มาของโครงสร้าง "moss" ในบรรยากาศดวงอาทิตย์ และพิสูจน์ด้วยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์
8. การคิดข้อสมมุติฐาน random ballistic decorrelation สำหรับการคำนวณสัมประสิทธิ์การฟุ้งของเส้นสนามแม่เหล็กและอนุภาคพลังงานสูงในสนามแม่เหล็กปั่นป่วน
9. การพัฒนาแบบจำลองและทฤษฎีการฟุ้งของเส้นสนามแม่เหล็กสำหรับความปั่นป่วนแบบ reduced magneto-hydrodynamics (RMHD)
10. การค้นพบและอธิบายปรากฏการณ์ใหม่ในการขนส่งของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์คือ squeezing ในการกระจายตัวเนื่องจากโครงสร้างความปั่นป่วน
11. การช่วยคิดคำอธิบายสำหรับ anisotropy ในรังสีคอสมิกที่วัดที่ดอยอินทนนท์ ที่สูงผิดปกติหลายวันติดต่อกัน โดยอธิบายในรูปของโครงสร้าง coronal holes ในบรรยากาศดวงอาทิตย์
12. การพัฒนาวิธีวิเคราะห์ข้อมูลจากเครื่องตรวจวัดนิวตรอนในรูปแบบใหม่ ซึ่งบ่งบอกว่าพฤติกรรมของฟลักซ์ต่อพลังงานนั้น ได้เปลี่ยนแปลงกะทันหันภายในประมาณ 1 ปีจาการสลับขั้วแม่เหล็กของดวงอาทิตย์
13. การพัฒนาตัวแปรใหม่เพื่อ parameterize การเดินสุ่มของเส้นสนามแม่เหล็ก ภายใต้ความปั่นป่วนในอวกาศ ต่อเมื่อสนามแม่เหล็กเฉลี่ยไม่แรงนัก ซึ่งทำให้สามารถพัฒนาทฤษฎีการเดินสุ่มฯ ในกรณีนั้น
14. การวัดผลกระทบของอาคารต่อการวัดนิวตรอนจากรังสีคอสมิก โดยใช้เครื่องตรวจวัดนิวตรอนขนาดย่อม ที่ยืมมาจากกลุ่มวิจัยที่แอฟริกาใต้ ทั้งข้างในและข้างนอกอาคาร
15. การคิดวิธีวิเคราะห์ฮิสโตแกรมของช่วงเวลาระหว่างการวัดนิวตรอนในเครื่องตรวจวัดนิวตรอน โดยลบผลจาก chance coincidence จนให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานของรังสีคอสมิกจากกาแล็กซี ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่วัดได้ในสถานีตรวจวัดนิวตรอนทั่วโลก
นอกจากงานวิจัยทางด้านทฤษฎีและการทำแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แล้ว ยังได้ทำการติดตั้งสถานีตรวจวัดนิวตรอนเพื่อวัดรังสีคอสมิกในประเทศไทย ด้วยเหตุผลว่าประเทศไทยมีค่าพลังงานขั้นตํ่าที่รังสีคอสมิกผ่านสนามแม่เหล็กโลกได้สูงที่สุดในโลก โดยอนุภาคโปรตอนต้องมีพลังงานถึง 17 GeV จึงจะมาถึงประเทศไทยได้ ดังนั้น สถานีตรวจวัดนิวตรอนในประเทศไทยจึงให้ข้อมูลที่มีเอกลักษณ์ และ GCRs ที่มีพลังงานสูงขึ้นทำให้มีการรับรู้จากระยะไกล (remote sensing) ของสภาพในตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์ได้ไกลมากขึ้น ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล ได้เล่าให้นักวิทยาศาสตร์ในต่างประเทศฟังถึงความฝันที่จะมีเครื่องตรวจวัดนิวตรอนในประเทศไทย และความฝันเริ่มเป็นจริงเมื่อมีกลุ่มบุคคลที่ประเทศญี่ปุ่นเสนอบริจาคเครื่องตรวจวัดนิวตรอนให้กับกลุ่ม ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล ต่อจากนั้น สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานนามว่า สถานีตรวจวัดนิวตรอนสิรินธร ส่วนกองทัพอากาศได้กรุณาอนุญาตให้ติดตั้งสถานีฯ ที่ศูนย์ควบคุมและรายงานดอยอินทนนท์ ซึ่งเป็นยอดเขาที่สูงที่สุดของประเทศไทย เรื่องความสูงนี้มีความสำคัญมากเพราะทำให้อัตรานับรังสีเพิ่มขึ้นหลายเท่าเมื่อเทียบกับระดับทะเล ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล และคณะเริ่มเก็บข้อมูลในปี 2550 จึงนับว่าฝันกลายเป็นจริงหลังเวลาผ่านไป 18 ปี ขณะนี้ นับว่า ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ไม่กี่คนที่ทำงานวิจัยทางด้านคอมพิวเตอร์ ด้านทฤษฎี และด้านปฏิบัติไปพร้อมกัน
ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ใหม่จากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล และคณะได้พัฒนาเทคนิควัดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานของรังสีคอสมิก จากการกระจายตัวของระยะเวลาระหว่างนิวตรอนที่วัดที่ดอยอินทนนท์ ซึ่งเป็นความสามารถใหม่ในประวัติการใช้เครื่องตรวจวัดนิวตรอนในระยะเวลา 65 ปี ด้วยข้อมูลจากดอยอินทนนท์พร้อมด้วยเครื่องตรวจวัดนิวตรอนที่อื่นในโลก ศ.ดร.เดวิด รูฟโฟโล และคณะได้แสดงให้เห็นว่าผลกระทบของวัฏจักรจุดมืดต่อฟลักซ์ของ GCR ที่มีพลังงานหลาย GeV แตกต่างเชิงคุณภาพจากรูปแบบที่เคยพบที่พลังงานตํ่ากว่า ข้อมูลจากดอยอินทนนท์สำหรับ GCR พลังงานสูงเกี่ยวข้องอย่างมากกับสนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ โดยทำให้มีเส้นทางลัดเมื่อเทียบกับเส้นทางตามแผ่นกระแสที่มีลักษณะเป็นคลื่น (ซึ่งเป็นเส้นทางของอนุภาคที่มีพลังงานตํ่ากว่า) เมื่อแผ่นกระแสมีมุมเอียงที่สูง