Маленькі частинки з космосу постійно пролітають повз Землю, хоча ми не можемо їх побачити, почути, відчути, спробувати або понюхати.
Багато з цих частинок пов’язані з космічними променями, надзвичайно енергійними частинками, які можуть виникати в результаті вибуху зірок та інших бурхливих подій за межами нашої Сонячної системи. Коли космічні промені потрапляють на атоми високо в атмосфері Землі, вони створюють дощ вторинних частинок. Серед них є мюони, здатні проходити крізь атмосферу і навіть йти під землю.
Професор фізики Делаверського університету Спенсер Аксані розробив пристрій під назвою CosmicWatch, який значно полегшує виявлення цих невидимих частинок. Зараз технологіями користуються всі – від учнів середньої школи до професійних дослідників.
Детектор невидимих космічних частинок за 100 доларів
CosmicWatch розміром приблизно з коробку крекерів для тварин. Детектор, виготовлений з електронних компонентів, які коштують близько 100 доларів, реєструє відлік, коли мюон проходить через нього. Дані зберігаються, щоб користувачі могли завантажити та проаналізувати дані пізніше.
Спочатку пристрій було створено як недорогий спосіб познайомити студентів з фізикою елементарних частинок. Але з тих пір CosmicWatch також знайшов роль у міжнародних астрофізичних дослідженнях.
«Детектори CosmicWatch дозволяють нам займатися фізикою за набагато нижчу вартість, у компактній і портативній формі, а також відкривають двері для багатьох видів експериментів і можливостей для охоплення», — сказав Аксані.
Що супутники можуть розповісти про Всесвіт
Вчені вивчають мюони, оскільки вони можуть надати інформацію про деякі з найпотужніших космічних подій, включаючи наднові зірки, гамма-спалахи та блазари. Вимірюючи мюони, дослідники можуть обчислити властивості вихідного космічного випромінювання, включаючи його енергію, масу та напрямок.
Мюонний потік також відіграв важливу роль в історії фізики. На початку 1940-х років вимірювання цих частинок дали одне з перших експериментальних підтверджень спеціальної теорії відносності Ейнштейна.
Мюони також корисні для вивчення об’єктів на Землі. Частинки можуть переміщатися крізь тверді матеріали, такі як стіни, каміння або люди, без пошкоджень. Оскільки вони залишають сліди помітної енергії, вчені можуть використовувати їх для зображення структур, прихованих за великою кількістю матерії. У 2016 році місячні технології виявили невідомий коридор у Великій піраміді Гізи.
Проблема полягає в тому, що звичайні мюонні детектори часто великі та дорогі. Це обмежує як експерименти, які можуть проводити дослідники, так і кількість шкіл, які можуть надати студентам практичний доступ до технології.
«У типовому студентському курсі фізики для вимірювання мюонів використовується полиця електроніки розміром приблизно з книжкову полицю», — сказав Аксані.
Як почався CosmicWatch
Аксані вперше заснував CosmicWatch у 2017 році, будучи аспірантом Массачусетського технологічного інституту. Його початковою метою було створити компактний, енергоефективний детектор мюонів для використання в обсерваторії IceCube в Антарктиді.
IceCube — це масивний детектор, похований під льодом, який шукає нейтрино, інший тип субатомних частинок. Мюонний детектор корисний, оскільки він допомагає дослідникам відрізняти мюони від нейтрино, які вони хочуть виявити.
Розробляючи проект, Аксані зрозумів, що та сама технологія може бути портативною та недорогою для освітнього використання. Відтоді CosmicWatch став інформаційним інструментом для навчання фізиці елементарних частинок.
Після приєднання до факультету UD у 2022 році Аксані продовжив вдосконалювати дизайн. Нещодавно він випустив третю версію CosmicWatch. Покращення в статті Журнал приладобудування у жовтні дозволить новому детектору контролювати оточення, витримувати високі рівні радіації та швидше збирати дані.
«Хоча я вивчав космічні промені, я не в повній мірі оцінив багату фізику того, як ці детектори працюють, щоб насправді «бачити» світ і виробляти атмосферні частинки», — сказав Масума Сарфраз, докторант лабораторії Аксані та провідний автор статті в журналі. «Для такого студента, як я, який працював над теоретичними ідеями, це була ідеальна можливість зануритися в експериментальну сторону. Це також дуже добре пов’язано з моєю широкою дослідницькою роботою з фізики елементарних частинок».
Від дослідження темної матерії до космічних польотів
Новітній дизайн CosmicWatch добре підходить для калібрування великомасштабних детекторів. В даний час він використовується в експерименті NuDot в UD і в детекторі когерентної темної матерії CAPTAIN-Mills (CCM) в Лос-Аламосі, Нью-Мексико.
Дослідники також розробляють інший варіант, який міг би вимірювати первинні космічні промені на борту ракет і космічних кораблів.
Незважаючи на розширення дослідницької ролі, освіта залишається важливою частиною CosmicWatch. В UD Аксані використовує детектор для навчання частинок, ядерної та астрофізики. Студенти самостійно збирають пристрої та отримують практичний досвід роботи з високошвидкісною електронікою, перш ніж використовувати свої готові детектори у власних експериментах з проектуванням.
Мусарат Шамс, докторант програми Quantum Science and Engineering, модифікував свій CosmicWatch, додавши датчики температури та тиску. Його метою було вивчення космічних променів у верхніх шарах атмосфери Землі.
У травні детектор пролетів на висотній кулі на висоту 100 000 футів, поблизу краю космосу. Після перегляду вимірювань Шамс зміг показати, як змінюється потік космічних променів із космосу зі збільшенням висоти.
«Це дуже круто мати можливість створити щось у лабораторії всього за кілька днів, що може виявляти ці холодні частинки за сотні світлових років», — сказав він.
Дайте студентам відчути смак справжньої фізики елементарних частинок
CosmicWatch також використовується за межами Університету Делавера. Наташа Холмс, ад’юнкт-професор фізики Корнельського університету, Енн С. Боуерс, студенти своїх початкових курсів фізики будують детектори та проводять з ними експерименти.
Він сказав, що робота безпосередньо з технологіями дає студентам досвід, який ближче до професійної експериментальної фізики.
«Студенти дуже захоплені виконанням цієї роботи, яка більше схожа на те, що роблять фізики елементарних частинок і фізики-експериментатори», — сказав він. «Вони вивчають деякі коди за допомогою нього, і іноді він ламає пристрої, і тоді ми повинні поговорити з ними про те, щоб бути обережними з вашим обладнанням. Це дуже відрізняється від звичайної фізичної лабораторії. Ми сказали студентам, що вони займаються «справжньою наукою» після використання».
Можлива глобальна мережа детекторів космічних променів
За оцінками Аксані, з моменту появи першої версії вісім років тому було створено тисячі детекторів CosmicWatch. Він сподівається, що ця кількість зрештою може бути значно збільшена завдяки всесвітній «громадянській науці».
Згідно з цією ідеєю, люди в різних частинах світу могли б вимірювати локальні рівні мюонів і надсилати свої спостереження в центральне місце онлайн. Разом ці вимірювання можуть створити ширшу картину активності частинок навколо планети.
Axani також розробляє відповідну систему виявлення, яка може допомогти групам супутників розумно реагувати на зміни в навколишньому середовищі. Технологія може дозволити супутникам спілкуватися один з одним про умови в космосі. Наприклад, якщо виявлено сонячний спалах, система може сповістити найближчі супутники, щоб вони могли вимкнути живлення, коли це необхідно.
Те, що починалося як недорогий освітній проект, тепер поширилося на кілька областей передової фізики, яких Аксані ніколи не очікував.
«Хоча це було освітня програма, її використовували в багатьох областях фізики», — сказав Аксані. — Чудово.
