Detekovanie vesmíru

Ako študujeme kozmické lúče?

Experimenty fyziky častíc na zemi nám vedia povedať veľa o vesmíre, ale kvôli niektorým veciam musíme jednoducho odtiaľ odísť. Vysokoenergetické častice kozmického žiarenia, nazývané primárne kozmické lúče, nepretržite dopadajú na Zem. Atmosféra nás chráni od týchto primárnych lúčov, ktoré interagujú s časticami v atmosfére vytvárajúc spŕšky neškodných nízkoenergetických častíc. Keďže primárne kozmické lúče uchovávajú tajomstvá o vesmíre, tak je zaujímavé skúmať ich a existujú dva spôsoby, ako to urobiť. Jeden z nich je, rozmiestniť obrovské zoskupenia časticových detektorov na zemskom povrchu kvôli rekonštrukcii spŕšok nízkoenergetických častíc. Druhým je, umiestniť časticové detektory do vesmíru.

Vývoj spŕšky kozmického žiarenia v atmosfére Zeme. Pre väčšiu verziu klikni do obrázka.

V dôsledku toho, že spŕšky dolietajú na zemský povrch, môžu obsahovať milióny častíc zasahujúcich oblasť niekoľkých kilometrov štvorcových. Podľa rozmiestnenia detektorov krížom cez veľkú plochu kvôli zachyteniu všetkých alebo časti týchto veľkých spŕšok, vedia vedci určiť smer, odkiaľ prichádza primárne kozmické žiarenie a akú má energiu. Dokonca vedia zistiť, aký typ častice to mohol byť.

Argentínska pampa neďaleko Mendozy je južným stanovišťom pre najväčšie observatórium kozmických lúčov na svete. Stanovište v Utahu, USA, sníma severnú hemisféru oblohy.

Veľkosť spŕšok je jedným z dôvodov, prečo pozemné detektory kozmického žiarenia musia pokrývať tak veľkú plochu. Zriedkavý výskyt prípadov s vysokými energiami je druhým dôvodom. Len jedna častica s energiou 10²⁰ eV alebo viac dopadne na jeden kilometer štvorcový každých sto rokov. Čím viac štvorcových kilometrov detektory pokrývajú, tým energetickejšie kozmické lúče budú zachytávať. Napríklad pri pokrytí oblasti 10 x 10 kilometrov môžeme očakávať, že takú časticu spozorujeme každý rok.

Jeden typ pozemných experimentov obsahuje veľké pasívne objemy, ako sú nádrže s vodou. Častice zo spŕšky sa zrážajú s jadrami molekúl vody a vznikajú produkty reakcie, ktoré možno zaregistrovať okolitými detektormi pokrývajúcimi vnútorné steny nádrže. Iné experimenty majú niekoľko vrstiev plochých plynových detektorov na priamu registráciu spŕškových častíc prostrednícvom ionizácie, ktorú vyvolajú v plyne. Pomocou skombinovania niekoľkých experimentálnych zariadení rozmiestnených od seba v istej vzdialenosti v tvare mriežky, možno získať detektor s vysoko aktívnou plochou.

Iným prístupom k štúdiu primárnych kozmických lúčov je, vypustiť detektory do vesmíru. Je to zložitá úloha, pretože to musia byť ľahšie a oveľa úspornejšie detektory, než sú tie na Zemi a musia vydržať vynesenie nahor. Jeden taký experiment, nazvaný Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), hľadá, okrem iného, antiatómy vo vesmíre. Zaregistrovanie, napríklad, iba jediného atómu antiuhlíka by bolo dôkazom, že musia existovať celé galaxie antihmoty, pretože takýto jedinečný antiatóm by mal byť vytvorený v antihviezde. Zatiaľ žiadne antiatómy vo vesmíre neboli objavené, čo posilňuje myšlienku, že náš vesmír je tvorený úplne hmotou, a že všetka antihmota vytvorená pri Veľkom tresku odvtedy vymizla. Príroda, zdá sa, dáva prednosť hmote.

Alpha Magnetic Spectrometer - prvý experiment časticovej fyziky umiestnený na obežnej dráhe Zeme.