Promienie kosmiczne i astrofizyka wysokich energii Materia w skrajnych warunkach Badania zjawisk zachodzących we Wszechświecie jako całości są istotne nie tylko ze względu na ich ogólny cel poznawczy, dający istotny wkład w rozwój podstawowych dziedzin fizyki, takich jak np. fizyka teoretyczna, fizyka plazmy, fizyka jądrowa czy nawet fizyka ciała stałego, ale także ze względu na bezpośredni związek zjawisk kosmicznych z istnieniem, rozwojem i przyszłością działalności człowieka na Ziemi. Procesy i zjawiska kosmiczne, np. takie jak powstawanie pierwiastków, źródła energii gwiazd, wybuchy supernowych, promienie kosmiczne czy meteoryty stanowią podstawę istnienia życia na Ziemi i jego ewolucji. Badania archeologiczne wskazują, że tego typu zjawiska kosmiczne doprowadziły do ukształtowania się obecnej flory i fauny. Zrozumienie ich ma podstawowe znaczenie dla przyszłości człowieka. Dlatego badania kosmiczne stanowią jeden z kilku głównych kierunków działalności naukowej w programach Unii Europejskiej. W Katedrze Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Łódzkiego prowadzone są badania z zakresu astrofizyki wysokich energii, tzn. dotyczące procesów fizycznych, zachodzących w Kosmosie, w których powstają i oddziałują cząstki elementarne o wysokich energiach. Są to energie znacznie większe niż te, do których przyśpiesza się protony w najnowszych akceleratorach (do około jednej dziesięciomilionowej dżula na jeden proton). Procesy te zachodzą w obiektach kosmicznych, takich jak gwiazdy (Słońce, układy gwiazd), obiekty egzotyczne (białe karły, gwiazdy neutronowe czyli pulsary, magnetary) czy obiekty wybuchające (supernowe, błyski promieniowania gamma, aktywne jądra galaktyk). Warunki panujące w tych obiektach i ich otoczeniu nie mogą być odtworzone sztucznie na Ziemi. Dlatego tylko poprzez obserwacje tych zjawisk i procesów mamy dostęp do badania materii w skrajnych warunkach, tj. przy bardzo dużych gęstościach i ciśnieniach, w bardzo wysokich temperaturach czy super-silnych polach magnetycznych i grawitacyjnych. Poznanie własności materii znajdującej się w skrajnych warunkach w odległych obiektach kosmicznych następuje pośrednio poprzez obserwację docierającego do Ziemi promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal oraz cząstek naładowanych (jąder różnych pierwiastków, elektronów), czyli promieni kosmicznych. Obserwacje tych cząstek wymagają stosowania urządzeń dość kosztownych, wykorzystujących najnowsze technologie i dlatego często budowanych przez duże międzynarodowe zespoły badawcze. Ponieważ wgląd w procesy zachodzące w obiektach kosmicznych nie może być bezpośredni, często używaną metodą badawczą są komputerowe symulacje procesów fizycznych i ich porównanie z obserwacjami. Pracownicy Katedry Fizyki Doświadczalnej mają duże doświadczenie w wykorzystaniu tych technik badawczych i dlatego są także poszukiwanymi pracownikami firm wykorzystujących technologie informatyczne. Katedra Fizyki Doświadczalnej bierze obecnie udział w dwóch wielkich, międzynarodowych eksperymentach: Obserwatorium Pierre Auger oraz MAGIC. Celem budującego się obecnie Obserwatorium Auger jest zbadanie czym są i skąd pochodzą promienie kosmiczne o najwyższych energiach. Obserwatorium to składać się będzie z dwóch gigantycznych kompleksów detektorów – jeden na półkuli południowej, drugi na północnej, a więc tak, aby móc obserwować całe niebo. Obecnie na ukończeniu jest stacja południowa, mieszcząca się na argentyńskim płaskowyżu tuż pod Andami. Cząstka promieni kosmicznych o najwyższych energiach, wchodząc w atmosferę ziemską i zderzając się z jej cząsteczkami, wywołuje lawinę cząstek wtórnych, czyli tzw. wielki pęk atmosferyczny, który docierając do powierzchni ziemi pokrywa znaczny obszar, rzędu nawet kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych. Jednak strumień promieni kosmicznych maleje gwałtownie wraz z energią cząstki pierwotnej. Dlatego też potrzebne jest pokrycie detektorami cząstek wtórnych znacznej powierzchni tak, aby zwiększyć szansę na ich efektywną detekcję. Powierzchnia, na której znajdzie się 1600 detektorów cząstek w Obserwatorium Auger ma 3000 km2. Atmosfera nad tymi detektorami będzie obserwowana przez cztery stacje detektorów optycznych, rejestrujących słabe błyski od wielkich pęków atmosferycznych tzw. światło fluorescencyjne. Użycie dwóch różnych rodzajów detektorów do rejestracji wielkich pęków zapewni znakomitą dokładność w wyznaczeniu energii i kierunków przychodzenia cząstek promieni kosmicznych, jak również umożliwi wzajemną kalibrację tych dwóch typów detektorów. Z racji sporych kosztów przedsięwzięcia i skali eksperymentu, we współpracy biorą udział jednostki badawcze z ponad 20 krajów świata. Nasza katedra uczestniczy w oprogramowania, projektowaniu w i symulacjach konstruowaniu komputerowych elektroniki rozwoju detektorów wielkich i ich pęków, niezbędnych do interpretacji danych doświadczalnych oraz przy analizie tych danych – ale też uczestniczymy osobiście w pomiarach i budowie aparatury w Argentynie. Wstępne wyniki eksperymentu zostały już opublikowane na ostatniej konferencji promieni kosmicznych w Indiach (2005). Mamy nadzieję, że przełomowe wyniki współpracy Auger zostaną upublicznione na tegorocznej (2007) międzynarodowej konferencji w Meksyku, poświeconej całkowicie problemom promieni kosmicznych. Współpraca MAGIC została ustanowiona przez naukowców z kilku krajów europejskich (Niemcy, Włochy, Hiszpania, Szwajcaria, Finlandia, Polska, Bułgaria) w celu obserwacji promieniowania gamma ze źródeł kosmicznych, w których dominują procesy wysokich energii. Na Wyspach Kanaryjskich (La Palma) został zbudowany teleskop optyczny, o największej na świecie średnicy 17 m. Rejestruje on tzw. światło Czerenkowa wysyłane przez kaskady elektronów i pozytronów, wytwarzane w atmosferze ziemskiej przez pojedyncze kwanty gamma, przychodzące z Kosmosu. Ponieważ kwanty te nie niosą ładunku elektrycznego, więc kierunek ich ruchu nie ulega zmianom w trakcie przelotu przez pola magnetyczne w naszej Galaktyce lub też poza nią. Tak więc kierunek skąd kwanty te przychodzą wskazuje na źródło ich powstawania, a powstają one zwykle wskutek oddziaływań protonów, elektronów z otoczeniem. Tak więc uzyskane wyniki dostarczają informacji o procesach przyśpieszania cząstek do wysokich energii w tych obiektach. Pracownicy naszej katedry biorą bezpośredni udział w obserwacjach przy pomocy teleskopu MAGIC, przygotowują programy obserwacyjne oraz dokonują ich teoretycznej interpretacji. Wyniki uzyskane w pierwszym roku pracy teleskopu zostały zawarte w kilkunastu pracach opublikowanych w wiodącym czasopiśmie astrofizycznym The Astrophysical Journal i już uzyskały ponad 100 cytowań. Ponadto opublikowaliśmy kilka prac poświęconych symulacjom komputerowym procesów fizycznych w obserwowanych obiektach. Obecnie Współpraca MAGIC buduje drugi teleskop, który wraz z istniejącym znacznie poszerzy jego możliwości obserwacyjne. Przełomowe wyniki uzyskane przez teleskop MAGIC (oraz podobne urządzenie na półkuli południowej – Współpraca HESS) spowodowały że państwa Unii Europejskiej podjęły decyzję o budowie w nadchodzących latach systemu kilkudziesięciu teleskopów tego typu (Współpraca Cherenkov Telescope Array – CTA). W tym przedsięwzięciu zespół z Katedry Fizyki Doświadczalnej zamierza także brać udział. MARIA GILLER WŁODZIMIERZ BEDNAREK ANDRZEJ ŚMIAŁKOWSKI