PROJEKT PIERRE AUGER w Instytucie Fizyki Jądrowej

Prowadzone prace dotyczą analizy rozwoju wielkiego pęku atmosferycznego i warunków jego detekcji
  Podstawowym celem eksperymentu jest wyznaczenie energii, kierunków i zidentyfikowanie cząstek promieni kosmicznych na podstawie pomiarów wielkich pęków atmosferycznych. Aby ten cel osiągnąć, niezbędna jest możliwie dokładna znajomość zarówno procesu rozwoju wielkiego pęku, jak i własności detektora użytego do rejestracji pęku. Najogólniej mówiąc - konieczna jest staranna kalibracja procesu detekcji. Rozwój wielkiego pęku jest procesem bardzo skomplikowanym i do jego opisu stosuje się wiele upraszczających przybliżeń. Z drugiej strony, przybliżenia te mogą niekorzystnie wpływać na dokładność prowadzonych pomiarów.
  Dzięki użyciu hybrydowego detektora mamy szansę na identyfikację cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego lepszą, niż niż było to możliwe w dotychczasowych eksperymentach. W tym celu należałoby wyeliminować wiele przybliżeń stosowanych do tej pory w opisie wielkiego pęku.
  Z punktu widzenia detektora fluorescencyjnego najbardziej pożądaną modyfikacją jest uściślenie opisu rozkładów poprzecznych cząstek w wielkim pęku, rozkładów fotonów promieniowania czerenkowskiego cząstek pęku i dokładniejszy opis propagacji światła od wielkiego pęku do detektora oraz, rzecz jasna, możliwie dokładne modelowanie własności używanego detektora.

W szczególności zajmujemy się zagadnieniami:

badanie obrazu optycznego pęku
  W dotychczasowych analizach wielkich pęków kosmicznych stosuje się powszechnie szereg przybliżeń, które z jednej strony upraszczają prowadzone obliczenia, z drugiej jednak, mogą być źródłem poważnych błędów prowadzących do błędnego rozumienia badanych danych doświadczalnych. Przykładem takiego przybliżenia może być traktowanie wielkiego pęku kosmicznego jako punktowego źródła światła. Uważając to przybliżenie za niezbyt dokładne, postanowiliśmy odejść od niego, wyznaczyć rozkład poprzeczny światła w obrazie pęku i na tej podstawie skorygować stosowaną dotąd metodę wyznaczania energii.

analiza rozpraszania światła w atmosferze i wynikłej stąd modyfikacji obrazu pęku
  Celem naszych badań jest wyznaczenie wkładu rozpraszania światła fluorescencji oraz wielokrotnego rozpraszania światła Czerenkowa do sygnału rejestrowanego w detektorze. Zamierzamy skonstruować algorytm symulacji procesów wielokrotnego rozpraszania światła na molekułach powietrza i na aerozolach, a otrzymane wyniki uwzględnić w standardowej analizie przypadków rejestrowanych w eksperymencie.

badanie wpływu lokalnych zmian atmosfery Ziemi na rozwój wielkich pęków
  Atmosfera ziemska jest kluczowym elementem systemu detekcji promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii. Rozwój i warunki detekcji wielkiego pęku w dużym stopniu zależą od własności atmosfery w chwili rejestracji wielkiego pęku. Postanowiliśmy w prowadzonych przez nas badaniach odejść od używanego powszechnie Standardowego Modelu Atmosfery USA na rzecz przyjęcia zmierzonych lokalnie rozkładów atmosferycznych otrzymanych z radiosondaży balonowych atmosfery i uwzględnienia w prowadzonej analizie rejestrowanych wielkich pęków fluktuacji istotnych parametrów atmosferycznych.

identyfikacja fotonów wśród cząstek promieni kosmicznych najwyższych energii
  W badaniach promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii niezwykle ważna jest możliwość identyfikacji lub wykluczenia fotonów i neutrin jako cząstek promieni kosmicznych. Wiadomo, że fotony wysokich energii mogą ulegać konwersji na pary elektronowe wskutek oddziaływania z polem elektromagnetycznym zapoczątkowując kaskadę wstępną jeszcze przed dotarciem do do atmosfery ziemskiej. Zjawisko to w istotny sposób modyfikuje rozwój wielkiego pęku w atmosferze, a więc dokładne jego zbadanie ma zasadnicze znaczenie dla identyfikacji cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego. Wstępne rezultaty poszukiwań fotonów, choć nie przyniosły identyfikacji, mają istotne znaczenie fizyczne. Wyznaczone górne ograniczenia na odsetek lub strumień fotonów znacznie skróciły listę rozważanych scenariuszy teoretycznych pochodzenia promieni kosmicznych.

poszukiwanie neutrin wśród wysokoenergetycznych promieni kosmicznych
  Wielkie pęki inicjowane przez neutrina o energiach powyżej 10¹⁷ eV mogą być rejestrowane przez detektory naziemne jako tzw. "pęki poziome". Mogą być one rezultatem oddziaływania neutrina w powietrzu (pęki "lecące z góry"), albo oddziaływania w skorupie ziemskiej (pęki "lecące z dołu"). Oczekiwana liczba przypadków neutrinowych w detektorze zależy od strumienia neutrin docierających do Ziemi, ale też od przekroju czynnego na oddziaływanie neutrina. Okazuje się, że porównując liczbę przypadków neutrinowych przylatujących z góry i z dołu można wnioskować o przekroju czynnym na oddziaływanie neutrin z materią. Takie porównanie pozwala na testowanie modeli wielowymiarowych przewidujących powstawanie mikroskopowych czarnych dziur. Zarejestrowanie juz kilku przypadków neutrin najwyższych energii może otworzyć nowy rozdział fizyki poza modelem standardowym.

rozwój mikrofalowej techniki detekcji wielkich pęków
  Niedawna obserwacja promieniowania mikrofalowego wzbudzanego przez kaskadę cząstek w powietrzu stwarza perspektywę nowej metody detekcji promieni kosmicznych najwyższych energii. Oczekuje się, że promieniowanie mikrofalowe takiej kaskady powinno być emitowane izotropowo, podobnie jak światło fluorescencji. Oznacza to, że powinna być możliwa mikrofalowa rejestracja wielkich pęków, analogiczna do metody fluorescencyjnej. Co więcej, w przeciwieństwie do metody fluorescencyjnej, metody mikrofalowej można by używać ciągle, niezależnie od pory dnia i warunków atmosferycznych, znacznie zwiększając szybkość akumulacji danych. Nie bez znaczenia jest też fakt, że istniejące na rynku tanie odbiorniki telewizji satelitarnej pracują właśnie w zakresie częstości, w którym zaobserwowano promieniowanie kaskady cząstek w powietrzu. Stwarza to duże nadzieje na zbudowanie taniego, wydajnego detektora wielkich pęków, który mógłby choćby częściowo zastąpić drogie detektory fluorescencyjne.

rozwój radarowej detekcji wielkich pęków
  Badamy zjawisko odbicia fal radiowych od plazmy wytworzonej w powietrzu przez jonizujące cząstki wielkiego pęku. Ponieważ front wielkiego pęku porusza się z prędkością bliską prędkości światła, występuje tu efekt Dopplera, powodujący kompresję sygnału w czasie i zmianę częstości fali odbitej w stosunku do fali wysyłanej. Rejestracja echa radarowego (fali odbitej) stwarzałaby nadzieje na rozwój radarowej techiki detekcji wielkich pęków atmosferycznych. Zaletą nowej techniki byłaby znaczna redukcja kosztów jak również możliwość prowadzenia obserwacji w sposób ciągły, niezależnie od pory dnia.

Instytut Fizyki Jądrowej PAN uczestniczy również w budowie sieci detektorów Południowego Obserwatorium Pierre Auger