Детекторите за космически лъчи изследват древната вселена за нов вид физика

Рядко има слънчева светлина в дома на Спенсър Аксани, когато той се надига от леглото, за да влезе в имейла си. Аксани е асистент по физика в университета на Делауеър, но не с планове за уроци или ръкописи той прекарва тези ранни сутрини. Вместо това той пише обмислени отговори на постоянен поток от съобщения за детектор с размер на длан, който разработва през 2016 г., наречен CosmicWatch.

Вместо да показва времето, CosmicWatch помага на ученици по целия свят да идентифицират един от най-разпространените и загадъчни видове частици на планетата: космическите лъчи. Въпреки че името им може да извиква образи на далечни слънчеви лъчи, тези частици изобщо не са фотони (частици, които пренасят светлина), а вместо това представляват смес от високоенергийни частици и ядра, които валят върху Земята във всеки момент от дълбокото в космоса.

Когато ударят земната атмосфера, те се разпадат на вторични частици като мюони, фундаментални субатомни частици, заредени по подобен начин като електрон, но повече от 200 пъти по-тежки.

Но въпреки повсеместното им разпространение по света, учените все още не са разбрали произхода на всички космически лъчи. За по-често срещаните частици с енергия под 10^18 eV (енергия, по-голяма от лъча на Големия адронен колайдер, но не достатъчно мощна, за да задвижи 100-ватова електрическа крушка) учените могат уверено да посочат свръхновите като начална точка. Въпреки това, частици с по-висока енергия от тази са изключително редки и далеч надхвърлят всичко, което вече известните астрофизични явления биха могли да създадат.

Това означава, че източникът на космически лъчи може да разкрие изцяло нов вид физика, казва Аксани. „Въпреки че може все още да не знаем напълно откъде идват, можем да използваме вторичните частици, които произвеждат, когато ударят нашата горна атмосфера, за да изследваме изключително широк диапазон от физика“, казва Аксани пред Popular Mechanics. „Надяваме се да подобрим нашето разбиране за физиката на неутриното, да търсим признаци на тъмна материя и дори да изследваме земните ефекти, свързани с нашата атмосфера.“

За да направят това, учени като Аксани и Матиас Плум, асистент по физика в Училището по мини и технологии в Южна Дакота, се обръщат към детектори на космически лъчи от всякакъв размер. За Плум това означава използването на огромни детектори като обсерваторията Pierre Auger в Аржентина и обсерваторията IceCube на Южния полюс. Когато става въпрос за улавяне на редки космически лъчи, размерът на детектора наистина има значение, казва Плъм.

„Ако искате да измервате само средно енергийни частици, няколко квадратни километра са добре“, казва Плъм. „Но ако искате да отидете след тези с наистина, наистина най-висока [енергия], тогава говорите за мили и мили. Като размера на малките държави. Това е така, защото една високоенергийна частица космически лъч пада приблизително на един квадратен километър на век, казва Плъм. За да ги хванете в действие, мрежата ви трябва да е невероятно голяма.

За обсерваторията Pierre Auger може да отнеме на изследователите няколко часа, за да се движат между детекторните масиви. Малки, но мощни детектори има по целия свят. За тях Плъм казва, че ръчните детектори и големите детектори не се различават твърде много един от друг под капака. Когато космическите лъчи преминават през голям или малък детектор, те оставят малък пръстов отпечатък от пътуването си, който кодира както времето, през което са преминали през детектор, така и енергията, която са имали при това.

Чрез обратно инженерство на тези данни учените работят, за да проследят произхода на космическите лъчи дълбоко във Вселената. Въпреки че проектът на Аксани няма силата да улови частици с много висока енергия, той все още играе важна роля в подпомагането на учениците да научат за този тип физика от първа ръка чрез откриване на мюони. Тези невзрачни детектори с размер на длан изглеждат като външни твърди дискове, струват само $100 за изграждане и работят, като записват, когато мюоните удрят силициев фотоумножител и мигат с малка светлина, за да предупредят потребителя.

Студенти по целия свят са изследвали взаимодействията на космическите лъчи дълбоко в станциите на метрото, във въздуха на борда на самолети и балони и дори в атмосферата на Земята на борда на ракета. „Не всеки има достъп до ускорител на частици, но освен ако не живеете на няколко километра под земята, имате достъп до високоенергийните частици [като мюони]“, казва Аксани.

Тъй като всеки отделен потребител създава тези детектори, вместо компания да ги произвежда масово, Аксани казва, че може да има някои малки разлики между устройствата, които изискват отстраняване на неизправности. Това е като да сглобявате маса на Ikea, но да поставите неправилно един винт. В крайна сметка това е част от радостта от проекта, казва той.

В новата си роля в Университета на Делауеър Аксани казва, че е развълнуван най-накрая да разшири този проект, за да свърже тези детектори и техните потребители по нов начин чрез това, което той нарича „CosmicNet“. Това ще позволи на потребителите да споделят данни и да правят още по-широки открития за движението на мюони по света, което би могло да помогне на любопитните потребители да събират данните на другия, за да направят нови открития – например как се променят скоростите на мюони по време на слънчеви изригвания.

Тъй като и големите, и малките детектори за космически лъчи преминават през надстройки през следващите години, те дори може да си сътрудничат по нови начини, казва Плъм, включително изследване на регионите с по-ниска енергия на детектора IceCube.

Така и така си тук …

… искаме да те помолим за услуга. Ние сме малка независима редакция, което значи, че сами си решаваме какво да правим и за какво да пишем. Нямаме абсолютно никакви зависимости към рекламодатели, собствениците ни не са милионери, нямаме никакви взаимоотношения с политици или пък бизнесмени. Никой не редактира редактора. Никой не „насочва“ мнението ни. Затова ти можеш да ни подкрепиш. Ако ни четеш редовно и смяташ, че статиите, които качваме са полезни, интересни или забавни, може да натиснеш бутона по – долу и да дариш сума по свое усмотрение.