Eksperyment CROME
Celem eksperymentu CROME (ang. Cosmic Ray Observation via Microwave Emission) jest sprawdzenie, czy możliwa jest mikrofalowa metoda detekcji wielkich pęków atmosferycznych. W ramach tego eksperymentu zespół badawczy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN współpracuje z instytutami uczestniczącymi w eksperymencie KASKADE-Grande, w szczególności z Karlsruhe Institute of Technology (Niemcy). Niedawna obserwacja promieniowania mikrofalowego wzbudzanego przez kaskadę cząstek w powietrzu [Gorham et al., Phys. Rev. D 78, 032007 (2008)] 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.
Poszukiwanie alternatywnej metody detekcji promieniowania kosmicznego ultrawysokich energii jest szczególnie istotne w świetle dotychczasowych wyników Obserwatorium Pierre Auger. Wskazują one na potrzebę znacznego zwiększenia próbki danych eksperymentalnych w zakresie najwyższych energii, powyżej 50 EeV. Poza tym, niezbędne jest znaczne polepszenie dokładności pomiaru składu promieni kosmicznych, a także obserwacja całego nieba. Ze względu na bardzo mały strumień cząstek promieniowania kosmicznego o skrajnie wysokich energiach, do ich detekcji niezbędna jest sieć detektorów rozmieszczona na powierzchni wielu tysięcy kilometrów kwadratowych. Wynika stąd szczególna potrzeba poszukiwania nowych rozwiązań eksperymentalnych umożliwiających poprawienie dokładności danych, przy jednoczesnej redukcji kosztów budowy i obsługi detektora.
Mechanizm emisji mikrofalowej nie jest do końca jasny. Spodziewamy się promieniowania mikrofalowego jako promieniowania hamowania elektronów niskiej energii na molekułach powietrza (ang. molecular bremsstrahlung radiation, MBR). Promieniowanie mikrofalowe powinno być wtedy niekoherentne i niespolaryzowane. W ogólności możliwe są również inne scenariusze emisji mikrofalowej pęku. Może to być promieniowanie radiowe cząstek naładowanych pęku: koherentne promieniowanie będące rezultatem zmiennego w czasie nadmiaru ładunku w wielkim pęku (efektu Askariana) lub odchyleń cząstek naładowanych w polu geomagnetycznym. Niewykluczone jest również, że źródłem sygnału mikrofalowego jest skompresowany w czasie (a więc przesunięty ku wiekszym częstością) sygnał radarowy. Powstawałby on na skutek odbicia fal radiowych generowanych przez człowieka (np. radio, telewizja) od plazmy wytworzonej w atmosferze w wyniku przejścia wielkiego pęku.
Detektory
Detektory eksperymentu CROME zostały zlokalizowane na obszarze sieci detektorów wielkich pęków KASCADE-Grande w Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech. Aparatura KASCADE-Grande pozwala na wybór, rejestrację i rekonstrukcję wielkich pęków przelatujących przez pole widzenia anten eksperymentu CROME. Takie połączenie detektorów ogromnie ułatwia identyfikację (dotąd nieznanego!) sygnału mikrofalowego wielkiego pęku: detekcja odbywa się na zasadzie koincydencji z detekcją wielkiego pęku przez detektor KASCADE-Grande.
Układ odbiorczy detektora CROME (zdjęcie po lewej). Trzy anteny odbiorcze pracujące w paśmie C (3.4 - 4.2 GHz) (zdjęcie po prawej).
Odbiorniki umieszczone w ognisku jednej z anten
Detektory mikrofalowe eksperymentu CROME pracują w paśmie L (1.2-1.7 GHz), w paśmie C (3.4-4.2 GHz) oraz w paśmie Ku (10.7-12.7 GHz). Używane są też detektory w zakresie niższych częstości: VHF (40-80 MHz) i VLF (20 kHz-20 MHz). Wiodącymi są detektory w paśmie C (ze względu na najmniejsze zakłócenia). Są to trzy anteny paraboliczne o średnicy 335 cm. W ognisku każdej z nich znajduje się układ 9 liniowo spolaryzowanych odbiorników (z koncentratorami i tzw. low-noise blocks (LNBs)), filtrami częstości i szybkimi układami akwizycji danych. Ponieważ wskutek występowania efektu Dopplera spodziewamy się krótkich impulsów (~10 ns) pochodzących od wielkich pęków, niezbędna jest szybka elektronika odczytu i akwizycji danych. Stała czasowa układu wynosi 4 ns.
Sygnały z każdego kanału są próbkowane przez szybkie 4-kanałowe analizatory PicoScope z czasem próbkowania 0.8 ns i z 8-bitowym zakresem dynamicznym. Sygnały ze wszystkich kanałów są odczytywane w oknie czasowym długości 10 μs przed i 10 μs po sygnale wyzwalania z detektora KASCADE-Grande. Zegar GPS umożliwia późniejsze połączenie danych CROME z danymi KASCADE-Grande. Sygnał rejestrowany w detektorze CROME jest szczegółowo analizowany aby zidentyfikować sygnał mikrofalowy pochodzący od wielkiego pęku rejestrowanego przez KASCADE-Grande.
Do kalibracji kompletnego systemu detekcyjnego użyto kalibrowanego nadajnika mikrofalowego umieszczonego w polu widzenia anteny przez latający automatyczny śmigłowiec, którego położenie może być precyzyjnie sterowane za pomocą sygnału GPS. Uzyskano charakterystykę detektora, która dobrze zgadza się z symulacjami. Temperatura szumu całego układu wynosi Tsys ~ 50 K.
Oktokopter używany do kalbiracji detektora CROME
Wyniki
Począwszy od maja 2011, kiedy to detektor CROME rozpoczął akwizycje danych, zaobserwowano sygnał mikrofalowy pochodzący z trzydziestu pęków o energiach większych niż 3x1016 eV. Zarejestrowane sygnały są bardzo krótkie (rzędu 10 ns), przy czym kąt pomiędzy osią pęku a kierunkiem obserwacji jest mały – zaledwie kilka stopni, a odległość od anteny do osi pęku – rzędu 100 m. Ogólnie mówiąc, takie cechy sygnałów są zgodne z charakterystyką promieniowania czerenkowskiego wielkich pęków.
Dla przypadków o najwyższych energiach zarejestrowano również promieniowanie radiowe w zakresie VHF (kilkadziesiąt MHz). Widoczna jest wyraźna różnica sygnałów w kanałach spolaryzowanych w kierunku wschód-zachód i północ-południe, co wskazuje na emisję geomagnetyczną.
Porównanie danych eksperymentalnych z charakterystyką promieniowania radiowego otrzymaną z symulacji przedstawione jest na poniższym rysunku. Kwadratami zaznaczone są położenia anten, w których zaobserwowano sygnał mikrofalowy, mierzone względem położeń rdzeni pęków zrekonstruowanych przez detektor KASKADE-Grande. Rdzenie wszystkich rozważanych pęków (z których zaobserwowano sygnał mikrofalowy) przeniesione są do początku układu współrzędnych. Symulowany rozkład natężenia pola elektrycznego na powierzchni ziemi związany z promieniowaniem radiowym wielkiego pęku oznaczony jest różnymi kolorami. Wyraźnie widać, że miejsca detekcji sygnału mikrofalowego tworzą kształt pierścienia, który pokrywa się z charakterystyką promieniowania radiowego pęku otrzymaną z symulacji. Sugerowałoby to, że odbierany sygnał mikrofalowy jest skompresowanym w czasie promieniowaniem geomagnetycznym, a nie promieniowaniem hamowania elektronów niskiej energii na molekułach powietrza.
Dalsza analiza danych w toku.
Porównanie danych eksperymentalnych CROME z oczekiwaną charakterystyką promieniowania radiowego wielkiego pęku.
Radar
W ramach eksperymentu CROME badana jest również możliwość radarowej detekcji wielkich pęków atmosferycznych. W ramach tego projektu badamy zjawisko odbicia fal radiowych od plazmy wytworzonej w powietrzu przez jonizujące cząstki wielkiego pęku. Analiza własności plazmy wytworzonej przez wielki pęk pokazała, że właściwym podejściem jest rozpatrywanie odbicia fali elektromagnetycznej od poszczególnych ładunków, a nie od rdzenia pęku jako całości. Sumowanie poszczególnych przyczynków z uwzględnieniem interferencji pozwala na otrzymanie fali odbitej docierającej do detektora na powierzchni gruntu. 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. Przy odpowiednio dobranej częstotliwości emitowanej fali radiowej, jesteśmy w stanie dostroić częstotliwość odbitej fali do zakresu częstotliwości, na których działa detektor CROME. W ogólności, uzupełniając detektor CROME o antenę nadawczą powinniśmy być w stanie przy jego pomocy rejestrować echo radarowe wielkiego pęku.
Przeprowadzone symulacje detekcji odbitej fali radiowej (echa radarowego) w detektorze na powierzchni ziemi pokazują, że sygnał odbierany przez antenę odbiorczą silnie zależy od geometrii układu detekcji. Zarówno długość impulsu radiowego rejestrowanego przez odbiornik, jak częstość i moc odbieranej fali zależą od kierunku wielkiego pęku i jego odległości od anteny odbiorczej. Dla anteny odbiorczej będącej poza stożkiem Czerenkowa wielkiego pęku, co jest sytuacją najczęstszą w detekcji pęków, częstotliwość odbieranej fali maleje z czasem, a jej amplituda rośnie. Poza tym okazuje się, że moc sygnału odbieranego zależy też od częstości fali emitowanej, co jest rezultatem interferencji fal odbitych od różnych części frontu wielkiego pęku. Ponieważ zmiana częstości fali radiowej przy odbiciu od frontu pęku zależy od geometrii układu, na podstawie symulacji można określić optymalną częstość fali emitowanej i wymaganą czułość detektora.
Prace te są w toku.
Typowy spektrogram echa radarowego. Sygnał składa się z dwóch części: początkowego sygnału o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie oraz sygnału o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie (łatwiejsza do detekcji).
Podziękowania
Udział zespołu badawczego z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w eksperymencie CROME jest częściowo finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach grantu ERA-NET-ASPERA/01/11.
Publikacje
Microwave Emission due to Molecular Bremsstrahlung in Non-Thermal Air Shower Plasmas
Neunteufel, P. et al., Proceedings of the 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2013), Rio de Janeiro (2013)
Observation of Coherent Microwave Emission from Air Showers by CROME
Šmída, R. et al., Proceedings of the 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2013), Rio de Janeiro (2013)
Observation of Polarised Microwave Emission from Cosmic Ray Air Showers
Šmída, R. et al., arXiv:1306.6738 (2013)
Enhancement of the radar signal of air showers due to time compression
Stasielak, J. et al., Proceedings of the 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2013), Rio de Janeiro, arXiv:1310.0743 (2013)
Interpretation of the Microwave Signal found for High Energy Air Showers
Werner, F. et al., Proceedings of the 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2013), Rio de Janeiro (2013)
AugerNext: innovative research studies for the next generation ground-based ultra-high energy cosmic ray experiment
Haungs, A. et al., Proceedings of the International Symposium on Future Directions in UHECR, CERN 2012, EPJ Web of Conferences 53, 08019 (2013)
Observation of microwave emission from extensive air showers with CROME
Šmída, R. et al., Proceedings of the International Symposium on Future Directions in UHECR, CERN 2012, EPJ Web of Conferences 53, 08010 (2013)
Radar reflection off extensive air showers,
Stasielak, J. et al., Proceedings of the International Symposium on Future Directions in UHECR, CERN 2012, EPJ Web of Conferences 53, 08013 (2013)
Extensive air shower detection with CROME in the L band
Mathys, S. et al., International Workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino Detection Activities (ARENA 2012), AIP Conference Proceedings 1535, 219 (2013)
Cosmic-ray Observation via Microwave Emission (CROME)
Šmída, R. et al., Proceedings of the International Workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino Detection Activities (ARENA 2012), AIP Conference Proceedings 1535, 214 (2013)
First results of the CROME experiment
Šmída, R. et al., Proceedings of the 32nd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2011), Beijing, arXiv:1108.0588 (2011)
