Twoja wyszukiwarka

JERZY KOWALSKI-GLIKMAN
CZĄSTKI Z NIEBA
Wiedza i Życie nr 8/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1998

WIOSNĄ BR. ODWIEDZIŁ POLSKĘ WYBITNY FIZYK AMERYKAŃSKI, LAUREAT NAGRODY NOBLA Z 1980 ROKU, PROFESOR JAMES W. CRONIN. CELEM JEGO WIZYTY BYŁO ZAPOZNANIE POLSKICH FIZYKÓW I ASTROFIZYKÓW Z PROJEKTEM DOŚWIADCZENIA SŁUŻĄCEGO OBSERWACJI ULTRAWYSOKOENERGETYCZNEGO PROMIENIOWANIA KOSMICZNEGO I ZAPROSZENIE ICH DO WSPÓŁPRACY PRZY TYM DOŚWIADCZENIU.

Według Cronina, jednymi z najważniejszych problemów astrofizyki są odkrycie tzw. ciemnej materii, która powinna istnieć we Wszechświecie, ale której nikt dotąd nie zaobserwował, oraz wyjaśnienie pochodzenia niezwykle wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego, które nie powinno istnieć, a które obserwuje się od z górą sześćdziesięciu lat. Obserwacji tego ostatniego zjawiska poświęcony ma być eksperyment, nazwany Obserwatorium Pierre'a Augera, na cześć francuskiego fizyka, który jako jeden z pierwszych mierzył energię promieni kosmicznych.

W 1939 roku, w swoim laboratorium w Paryżu, Pierre Auger zaobserwował promienie kosmiczne o niewyobrażalnie wielkiej, jak na owe czasy, energii 1014 eV, a dziś obserwowane są promienie o energiach milion razy większych (dla porównania, Large Hadron Collider, największy akcelerator cząstek elementarnych, budowany obe-cnie w CERN, będzie mógł przyspieszać cząstki do energii rzędu 1013 eV). Nieznane jest źródło, z którego promienie te do nas przylatują, co więcej, nie poznano mechanizmu ich powstawania. Przypuszcza się, iż cząstki mogą być przyspieszane do tak wielkich energii w trakcie gwałtownych procesów towarzyszących wybuchom gwiazd supernowych lub tworzeniu czarnych dziur. Niektórzy naukowcy spekulują, iż za ich powstanie mogą być odpowiedzialne bardziej egzotyczne procesy zachodzące w przestrzeni kosmicznej, jak na przykład zderzenia hipotetycznych strun kosmicznych: konfiguracji pól kwantowych o kształcie cienkiej, ciągnącej się przez wiele setek lat świetlnych liny, gromadzącej w sobie olbrzymie ilości energii.

Ryc 1. Symulacja komputerowa deszczu cząstek

Kiedy obdarzony wysoką energią promień kosmiczny wpada w wyższe warstwy atmosfery ziemskiej, przekazuje składającej się na nią cząsteczkom część swojej energii. Rozpędzone w ten sposób cząsteczki zderzają się z następnymi molekułami wchodzącymi w skład atmosfery. W każdym z takich zderzeń powstaje wiele innych cząstek: fotonów, elektronów, mionów i innych. W efekcie na ziemię pada krótkotrwały, ale niezwykle intensywny deszcz cząstek (ryc. 1), obejmujący u swojej podstawy powierzchnię niemal całej półkuli ziemskiej.

Celem doświadczeń proponowanych przez międzynarodową grupę fizyków, reprezentowaną przez Jamesa Cronina, które przeprowadzone być mają dzięki Obserwatorium Pierre'a Augera, jest dokładna obserwacja tego deszczu za pomocą dwóch układów obserwacyjnych - jednego na półkuli północnej w stanie Utah w USA, a drugiego na półkuli południowej w Argentynie - składających się z wielu tysięcy niewielkich detektorów rozmieszczonych równomiernie na obszarze o powierzchni kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych. Użycie dużej ilości niewielkich detektorów (ryc. 2), zasilanych bateriami słonecznymi i przekazujących wyniki pomiarów drogą radiową - niezależnie od relatywnie niedużych kosztów ich budowy - jest bardzo wygodne, ponieważ defekt jednego lub nawet kilku detektorów nie wpływa praktycznie na działanie całości układu doświadczalnego.

Ryc 2. Detektor wykorzystany w obserwatorium Pierre'a Augera

Przewiduje się, że przy wykorzystaniu projektowanego układu doświadczalnego uda się zaobserwować rocznie około 20 000 promieni kosmicznych o energiach rzędu 1019 eV i 200 o energii większej niż 1020 eV (co oznacza kilkudziesięciokrotny postęp w porównaniu do prowadzonych dziś obserwacji), określając dla każdego z nich kierunek, z którego promień przybył, a dla 10% przypadków jego strukturę.

Ten ostatni pomiar jest szczególnie ważny, bo, choć nie przypuszcza się, by w przeważającej części wysokoenergetyczne promienie kosmiczne mogły być czymś innym niż protony, wielu uczonych ma nadzieję zaobserwować bardziej "egzotyczne" cząstki (na przykład jądra atomowe zbudowane z antymaterii, hipotetyczne monopole magnetyczne czy też słabo oddziałujące cząstki masywne), których odkrycie mogłoby rzucić nowe światło na wiele nie rozwiązanych problemów astrofizyki i kosmologii.

Określenie kierunku, skąd przylatują do nas promienie kosmiczne o wielkich energiach, jest szalenie istotne, ponieważ źródła tych promieni muszą mieć niezwykłe własności. Proces tworzenia cząstek o tak wielkich energiach jest zapewne jednym z najbardziej gwałtownych procesów zachodzących współcześnie we Wszechświecie. Zlokalizowanie miejsca, w którym proces ten ma miejsce, pozwoli na gruntowną obserwację znajdującego się tam obiektu astrofizycznego za pomocą bardziej konwencjonalnych narzędzi będących w dyspozycji astronomów: teleskopów optycznych, radioteleskopów i orbitalnych urządzeń pomiarowych.

Ryc 3. Sieć detektorów widziana z lotu ptaka

Fot. Internet

Obserwatorium Pierre'a Augera będzie pierwszym eksperymentem umożliwiającym określenie tego miejsca. Okazuje się ponadto, że źródło wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego nie może być zbyt daleko od nas. Wysokoenergetyczne cząstki poruszają się przez pustkę kosmiczną wypełnioną tzw. promieniowaniem reliktowym, jedyną pozostałością po gorącym Wielkim Wybuchu, który dał początek naszemu Wszechświatowi 15 mld lat temu.

Okazuje się, że promieniowanie reliktowe powoduje efekt podobny do tarcia, na skutek czego energia poruszających się cząstek ulega rozproszeniu. W wyniku tego efektu wysokoenergetyczne promienie kosmiczne mogą przebyć drogę najwyżej 150 mln lat świetlnych - niezbyt wielką w porównaniu ze skalami odległości we Wszechświecie

Badania, które przeprowadzone będą dzięki Obserwatorium Pierre'a Augera, przyniosą niewątpliwie wiele interesujących, a być może nawet rewolucyjnych wyników. Jest tylko jeden problem, o którym podobno gentlemani nie rozmawiają, a który przewijał się w ostatniej części wystąpienia Jamesa Cronina. Mowa oczywiście o pieniądzach. Koszt eksperymentu szacuje się na około 100 mln dolarów, co nie jest dużą sumą w porównaniu z nakładami na doświadczenia prowadzone w fizyce cząstek elementarnych czy astronomii.

Problem w tym, że, jak mówi Cronin: bardzo trudno znaleźć fundusze na badania z astrofizyki wysokich energii. Dziedzina ta leży pomiędzy astronomią a fizyką cząstek elementarnych, a te ostatnie dysponują silnymi grupami nacisku skutecznie zabiegającymi o fundusze na swoje własne niezwykle kosztowne badania.

Ryc 4. Detektor

Fot. Internet

Cronin ma jednak nadzieję, że uda mu się przekonać National Science Foundation (odpowiednik naszego KBN) do pokrycia przynajmniej połowy kosztów Obserwatorium. Reszta funduszy ma w zamierzeniu pochodzić z krajów partycypujących w tym doświadczeniu: Argentyny, Meksyku, Anglii, Francji i, być może, Polski.

Obserwatorium Pierre'a Augera jest jednym z najbardziej fascynujących projektów doświadczalnych, z jakimi spotkałem się w ciągu ostatnich kilku lat. Nie ulega najmniejszej wątpliwości, że techniki akceleratorowe, stosowane z powodzeniem przez ostatnie dziesiątki lat do badania struktury materii, dotarły do kresu swoich możliwości (przede wszystkim ze względu na astronomiczne koszty takich doświadczeń).

Realną możliwością postępu w fizyce cząstek elementarnych wydaje się być wykorzystanie naturalnych źródeł niezwykle wysokoenergetycznych cząstek, a jedynymi znanymi takimi źródłami są obiekty astronomiczne. Obserwatorium Pierre'a Augera jest zapewne pierwszym istotnym krokiem na tej drodze.