Niezrozumiałe jeszcze procesy, zachodzące gdzieś we Wszechświecie, rozpędzają cząstki promieniowania kosmicznego do ogromnych energii. W Zakładzie Fizyki Promieniowania Kosmicznego w Łodzi powstał pomysł eksperymentu, który pomoże zrozumieć ich tajemnice. W projekt, który został nazwany Maze od nazwiska francuskiego uczonego, współodkrywcy wielkich pęków atmosferycznych, zaangażowani będą nauczyciele i uczniowie łódzkich liceów.

Energie cząstek mierzy się zwykle w elektronowoltach (eV). Jest to niewielka jednostka odpowiadająca energii, jaką uzyskuje elektron przechodzący swobodnie między punktami pola elektrostatycznego, które różni potencjał 1 volta. Odpowiada to energii około 1,6*10-19J (dżula). Fotony promieniowania widzialnego mają energie rzędu kilku elektronowoltów, promieniowania rentgenowskiego – kilku tysięcy elektronowoltów.

Z przestrzeni kosmicznej docierają do Ziemi cząstki o energiach dużo większych. Nazywamy je promieniowaniem kosmicznym. Największe energie jakie w nim spotykamy to ponad 1020eV (jedynka z dwudziestoma zerami). Odpowiada to kilkunastu dżulom. Wydaje się to niewiele, lecz należy pamiętać, że energię tę niesie nie spadające z drzewa jabłko, lecz pojedyncza cząstka (proton, elektron, foton lub może jakaś nieznana jeszcze fizykom cząstka). Energia ta jest setki milionów razy większa od energii, jakie potrafimy nadać cząstkom w największych ziemskich akceleratorach.

Rysunek przedstawia zależność strumienia promieniowania kosmicznego od energii (czerwone kropki). Widać szybki spadek ilości cząstek ze wzrostem energii. Przy około 1016 widać charakterystyczne załamanie widma zwane “kolanem”.

Przed badającymi promieniowanie kosmiczne fizykami staje wiele pytań: Jakie procesy fizyczne, zachodzące gdzieś we Wszechświecie, prowadzą do przyspieszeń cząstek do tak wielkich energii? Co dzieje się z cząstkami o tak gigantycznych energiach, gdy zderzą się z materią ziemskiej atmosfery lub skorupy? Jakie cząstki mają tak wielkie energie? Na te pytania uczeni poszukują odpowiedzi od 1912 roku, kiedy to Wiktor Hess odkrył istnienie promieniowania kosmicznego.

Ilość promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi zależy od jego energii. Im jest ona większa, tym rzadziej je rejestrujemy. Cząstki o najwyższych energiach, powyżej 1020eV, docierają do ziemskiej atmosfery w postaci strumienia równego jednej cząstce na kilometr kwadratowy na stulecie.

To szalenie mało! Jak w takim razie je badać? Zbudowanie nawet sporego detektora i oczekiwanie, że cząstka trafi właśnie w niego przypomina oczekiwanie na cud. Nie jest jednak tak źle. Cząstki promieniowania kosmicznego, lecące w kierunku naszej planety, zderzają się z atomami i cząsteczkami atmosfery. W wyniku takich zderzeń zachodzą reakcje prowadzące do powstania nowych cząstek. Nowo wykreowane cząstki również reagują z atmosferą. Powstaje w ten sposób wielki pęk atmosferyczny. Gdy cząstki pęku docierają do powierzchni Ziemi, rozkładają się na powierzchni wielu kilometrów kwadratowych.

Animacja przedstawia rozwój wielkiego pęku atmosferycznego od momentu wejścia w atmosferę cząstki pierwotnej promieniowania kosmicznego aż do osiągnięcia powierzchni Ziemi przez cząstki wtórne.

Na świecie istnieje wiele eksperymentów badających promieniowanie kosmiczne najwyższych energii. Obecnie największym z nich jest japoński eksperyment AGASA, którego detektory rozmieszczone są na powierzchni około 100 kilometrów kwadratowych. W budowie jest eksperyment AUGER, którego sieć detektorów pokryje obszar dziesięciokrotnie większy.

Wielkie eksperymenty realizowane na świecie wymagają wielkich funduszy. Czy można badać promieniowanie kosmiczne najwyższych energii za mniejsze pieniądze i do tego, w taki sposób, aby zachęcić do współpracy jak najwięcej osób? Odpowiedź zdaje się brzmieć “TAK”!

W Polsce promieniowanie kosmiczne jest od ponad czterdziestu lat badane w Łodzi. W powstanie łódzkiego ośrodka wielki wkład mieli polscy profesorowie Aleksander Zawadzki, Juliusz Hibner, Jerzy Gawin i Jerzy Wdowczyk oraz francuski profesor Roland Maze. Nazwiskiem tego ostatniego został nazwany projekt, który powstał ostatnio w Łodzi.

Przewiduje on zbudowanie sieci detektorów promieniowania kosmicznego, które będą rozłożone w miarę równomiernie w całym mieście. Dla zapewnienia tej równomierności, współpracę w realizacji projektu zaproponowano wszystkim łódzkim liceom. Wezmą w nim udział nauczyciele fizyki wraz z uczniami interesującymi się tym przedmiotem. Rozmieszczone w szkołach detektory scyntylacyjne (rejestrujące światło wytwarzane przez przechodzące przez nie cząstki) zbierać będą dane notując czas przyjścia i energię cząstek. Konieczna dla eksperymentu dokładność wymaga, aby każdy detektor zaopatrzony był w układ GPS. Zebrane przez detektory dane spływać będą do znajdującego się w Łodzi Zakładu Fizyki Promieniowania Kosmicznego aby zostać tam opracowywane. Z danych o czasach i miejscach rejestracji wyciągnąć będzie można wniosek między innymi o kierunku, z którego przyszedł pęk.

Poruszające się pod pewnym kątem do powierzchni Ziemi czoło wielkiego pęku atmosferycznego osiąga różne detektory w różnym czasie. Z różnic pomiędzy momentami dotarcia czoła można obliczyć kierunek przybycia pęku.

Oprócz efektów naukowych, eksperyment będzie miał także znaczenie dydaktyczne. Przyczyni się do rozpowszechnienia wiedzy o prowadzonych w Łodzi badaniach i być może zaowocuje w przyszłości się nowym pokoleniem fizyków.

Przed projektem Maze stoi jeszcze wiele problemów organizacyjnych i finansowych. Kierujące nim osoby są jednak dobrej myśli. Powodzenia!

Autor

Michał Matraszek

Komentarze

  1. Tomasz Banyś    

    Nie chciałbym krakać, ale… — …mimo wszystko jakoś zainteresowanie projektem zgłosiło jak na razie niewiele szkół. Może się okazać że dane będą zbierane np. tylko z kilku punktów. Jednocześnie nie ma chyba żadnej gwarancji na to, że szkoły pozostaną aktywne w projekcie. Niektóre z nich (wtajemniczeni dobrze wiedzą, o które mi chodzi) w ogóle nie wezmą udziału (niechętny nauczyciel) albo w ogóle jeszcze nie zostały poinformowane. A szkoda, bo to naprawdę dobra okazja na poznanie współczesnej, prawdziwej, ciekawej fizyki.

Komentarze są zablokowane.