Kosmiczny kankan wyjaśnia zagadkę sprzed półwiecza

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
Kosmiczny kankan wyjaśnia zagadkę sprzed półwiecza
Od ponad pół wieku wiadomo, że wraz ze wzrostem energii w promieniowaniu kosmicznym zaczyna
raptownie ubywać pewnych typów cząstek. Powstały dwie teorie astrofizyczne tłumaczące ten
efekt.
Dotychczasowe obserwacje nie pozwalały rozstrzygnąć, która jest poprawna. Ostateczną odpowiedź przyniosły
badania międzynarodowego projektu KASCADE-Grande, przeprowadzone z udziałem m.in. naukowców z
Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Wszechświat jest akceleratorem cząstek o największych
energiach. Pół wieku temu zauważono, że promieniowanie kosmiczne docierające do naszej planety wykazuje
osobliwą cechę. „Gdy zaczynamy zliczać cząstki kosmiczne o coraz większych energiach, powyżej pewnej
wartości energii ich liczba zaczyna maleć zdecydowanie szybciej”, mówi prof. dr hab. Janusz Zabierowski z
Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku. „Efekt powoduje, że na odpowiednim wykresie widma
energetycznego widać załamanie przypominające kształtem kolano”. Natura tego kosmicznego „kolana”
pozostawała przez długi czas nieznana. Promieniowanie docierające do Ziemi z kosmosu składa się głównie z
protonów (jąder wodoru). Zaledwie co siódma-ósma cząstka to jądro helu, a co setna – elektron lub jądro
pierwiastka o liczbie atomowej większej od 3. Im większa energia cząstek, tym ich mniej: dziesięciokrotny
wzrost energii wiąże się z tysiąckrotnym zredukowaniem liczby cząstek. Strumień cząstek promieniowania
kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy
aparatury na satelitach. Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania
wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka
promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele
cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni
Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek, nierzadko pokrywająca
obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa. Pięć lat temu naukowcy analizujący dane z
międzynarodowego projektu KASCADE odkryli, że gdy energia cząstek promieniowania kosmicznego zaczyna
sięgać milionów miliardów (10exp15 czyli 10 do potegi 15) elektronowoltów i wchodzi w obszar „kolana”, w
strumieniu docierającym z głębi kosmosu gwałtownie zmniejsza się liczba lekkich jąder. Duże „kolano” okazało
się zawierać małe. (Dla porównania: fotony światła widzialnego mają energie liczone w pojedynczych
elektronowoltach.) Detektor KASCADE zaprojektowano specjalnie do rejestrowania wielkich pęków
atmosferycznych. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w
Karlsruhe (KIT), składała się z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 200 m. W
pierwszych latach tego wieku sieć rozbudowano dodając 37 stacji detektorowych na obszarze kwadratu o boku
700 m. Zmieniono także nazwę projektu na KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector with
Grande extension). Po zmodernizowaniu, KASCADE-Grande rejestrował pęki atmosferyczne wywołane cząstkami
promieniowania kosmicznego o energiach dziesięciokrotnie większych niż dotychczas (od 10exp16 do 10exp18
elektronowoltów). Przed naukowcami otworzyła się możliwość badania całego zakresu energii promieniowania
kosmicznego objętego „kolanem”. Zakończona kilka tygodni temu analiza danych z sieci detektorów KASCADEGrande potwierdziła istnienie w obrębie „kolana” następnego załamania, spowodowanego w sposób
niepozostawiający wątpliwości malejącym strumieniem jąder ciężkich. Nowe „kolano” pojawia się przy energii
setek milionów miliardów (10exp17) elektronowoltów, dokładnie tam, gdzie według jednej z teorii
astrofizycznych z promieniowania kosmicznego powinny znikać jądra żelaza. „Projekty KASCADE i KASCADEGrande pokazały, że w rejonie dotychczasowego 'kolana' mamy do czynienia nie z jednym, a z wieloma
załamaniami w widmach poszczególnych jąder pierwiastków promieniowania kosmicznego, poczynając od
najlżejszego, wodoru, poprzez coraz cięższe w miarę wzrostu energii, aż do jąder żelaza. Kosmiczne 'kolano'
okazało się kosmicznym kankanem”, komentuje prof. Zabierowski, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i
przewodniczący Rady Współpracy KASCADE-Grande – organu zarządzającego eksperymentem. Przełomowe
wyniki badań właśnie opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters”. Dane z KASCADEGrande dotyczące jąder żelaza ostatecznie potwierdzają poprawność modeli opisujących pochodzenie i
zachowanie galaktycznego promieniowania kosmicznego w zależności od ładunku jego cząstek (liczby protonów
w jądrze), a nie od masy jądra (jego liczby protonów i neutronów). Informacja ta pozwoli lepiej modelować
procesy przyspieszania i propagacji pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach.
Projekt KASCADE-Grande jest prowadzony przez dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec,
Norwegii, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch. Narodowe Centrum Badań Jądrowych (wówczas jako Instytut
Problemów Jądrowych, IPJ) bierze udział w projekcie od jego pierwszej wersji KASCADE, czyli od 1989 roku. W
łódzkim oddziale IPJ zaprojektowano i wykonano m.in. kompletną elektronikę głównego trygera projektu
KASCADE, obejmującą ponad 100 bloków z programowalnymi układami elektronicznymi służącymi do
wyszukiwania i zapisywania najciekawszych zdarzeń. IPJ również zaprojektował i wykonał prototypy tych
urządzeń oraz oprogramowanie, za pomocą którego w Karlsruhe wyprodukowano 758 płyt z elektroniką do
obsługi prawie 25 000 kanałów detektora śladowego mionów. Część eksperymentalna projektu KASCADEGrande zakończyła się w marcu 2009 roku. Zebrane dane obejmują 1173 dni obserwacyjne i są wciąż
analizowane, dostarczając nowych informacji o naturze wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.
Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) to największy instytut badawczy w Polsce, zatrudniajacy ok. tysiąca
pracowników. NCBJ powstał w 2011 roku z połączenia Instytutu Problemów Jądrowych i Instytutu Energii
Atomowej POLATOM i zajmuje się wspieraniem budowy polskiej energetyki jądrowej, badaniami podstawowymi z
dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i jądrowa, fizyka plazmy gorącej itp.) oraz
stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym
medycyny. Ośrodek uczestniczy w międzynarodowych pracach nad reaktorami jądrowymi IV generacji i fuzją
termojądrową.
KONTAKTY:
prof. dr hab. Janusz Zabierowski
Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
tel. +48 42 6783223, wew. 51
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
Strona Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku.
Serwis prasowy Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)