[Wróć do strony głównej]

Projekt Pierre Auger

Updated: 2020-10-07

Wstęp

Przedmiotem badań naukowych Zakładu są promienie kosmiczne, szczególnie w zakresie energii powyżej 1017 eV. Cząstki o tak wysokich energiach – o kilka rzędów wielkości wyższych, niż energie osiągane w ziemskich akceleratorach cząstek – docierają do Ziemi z Kosmosu. Pochodzenie cząstek o tak wysokich energiach do tej pory pozostaje nieznane. Nie wiemy, gdzie we Wszechświecie są ich źródła, ani w jaki sposób są one przyspieszane do obserwowanych, gigantycznych energii. Nie ulega jednak wątpliwości, że cząstki o tych skrajnie wysokich energiach rzeczywiście przylatują z Kosmosu, a ich pochodzenie i mechanizm przyspieszania stanowi jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki. Wyjaśnieniu tej zagadki jest poświęcony Projekt Pierre Auger, w którym uczestniczą pracownicy naszego Zakładu. W ramach tego Projektu we współpracy międzynarodowej zostało zbudowane Obserwatorium Pierre Auger. Oczekujemy, że dane eksperymentalne uzyskane przez to Obserwatorium pozwolą na zrozumienie najbardziej gwałtownych procesów zachodzących we Wszechświecie.

O projekcie

Obserwatorium Pierre Auger znajduje się w pobliżu miasta Malargue w prowincji Mendoza w Argentynie. Jest to detektor hybrydowy, który łączy w sobie sieć detektorów powierzchniowych z detektorem fluorescencyjnym. Stacje detektora powierzchniowego, z których każda jest wodnym detektorem Czerenkowskim – zbiornikiem z 12 tysiącami litrów wody - są rozmieszczone w odległości 1.5 km od siebie. Każda stacja jest samowystarczalna i jest zasilana energią słoneczną. Przyrządy stacji mierzą liczbę cząstek przechodzących przez nią. Cząstki jednego wielkiego pęku docierają do kilku stacji niemal jednocześnie. Obserwatorium składa się z 1600 czerenkowskich detektorów cząstek, które tworzą gigantyczną sieć pokrywającą około 3000 km2.

Drugi, niezależny układ detekcji wykorzystuje słabe świecenie (fluorescencję powietrza) wywołane przez zderzenia cząstek wielkiego pęku z molekułami powietrza. Podczas pogodnych, bezksiężycowych nocy odpowiednio dostrojone czujniki światła mogą mierzyć ten słabiutki błysk. Zespół czujników światła skierowanych na różne części nieba tworzy wydajny detektor wielkich pęków, rejestrujący pęk jako świecący ślad na niebie. Całkowita ilość światła zależy od liczby cząstek w pęku, która z kolei zależy od energii cząstki pierwotnej promieniowania kosmicznego inicjującej ten pęk w atmosferze. Obserwatorium zawiera 4 detektory fluorescencyjne, każdy po 6 teleskopów. Detektory fluorescencyjne obserwują atmosferę ponad obszarem pokrytym przez sieć detektorów powierzchniowych.

Cel Badań

Głównym celem Projektu Pierre Auger jest szczegółowe zbadanie widma energetycznego oraz rozkładu kierunków przylotu promieni kosmicznych w zakresie najwyższych obserwowanych energii, a także choćby częściowa identyfikacja składu cząstek promieniowania kosmicznego. Do osiągnięcia tego celu niezbędne jest zgromadzenie jak największej próbki zarejestrowanych przypadków promieni kosmicznych w zakresie skrajnie wysokich energii (powyżej 1019 eV). Zebranie takich danych prawdopodobnie umożliwi rozwiązanie zagadki pochodzenia wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Główną trudność eksperymentalną stanowi fakt, że cząstki o bardzo wysokich energiach zdarzają się niezwykle rzadko: powyżej energii 1019 eV przylatuje zaledwie 1 cząstka na 1 km2 na rok.

Wróć

Wkład IFJ

Fizycy z zakładu NZ 15 IFJ PAN byli zaangażowani w badanie obrazu optycznego wielkiego pęku atmosferycznego, analizę rozpraszania światła w atmosferze i wynikłej stąd modyfikacji obrazu pęku, badanie wpływu lokalnych zmian atmosfery Ziemi na rozwój wielkich pęków, a także prowadzili badania nad identyfikacją fotonów i neutrin wśród cząstek promieni kosmicznych. Prowadzone były badania nad rozwojem mikrofalowej czy radarowej techniki detekcji wielkich pęków atmosferycznych.

W chwili obecnej fizycy z zakładu NZ15 koncentrują się nad pracami związanymi z modernizacją Obserwatorium Pierre Auger, tzw. projekt Auger Prime. W ścisłej, wielostronnej współpracy międzynarodowej oraz przy czynnym udziale inżynierów z Działu Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej IFJ PAN opracowano technikę montażu i testowania powierzchniowych detektorów scyntylacyjnych (SSD) przeznaczonych dla Obserwatorium Pierre Auger. Zakończono w IFJ PAN montaż i testy 228 takich detektorów [Dowiedz się więcej].

Wróć

Najważniejsze wyniki

Do najważniejszych wyników otrzymanych przez Obserwatorium Pierre Auger należą:

  • Potwierdzenie istnienia silnego stłumienia strumienia przy najwyższych energiach. Jego pochodzenie nie jest jeszcze w pełni wyjaśnione. Jest to najdokładniejszy pomiar widma energii promieniowania kosmicznego przy ultra wysokich energiach:
    [Phys. Rev. Lett 125, (2020) 121106, Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)];
  • Pierwsza wskazówka, że pierwotny skład promieni kosmicznych o bardzo wysokich energiach staje się cięższy przy wyższych energiach:
    [ PoS(ICRC2019)482];
  • Odkrycie anizotropii w kierunkach nadejścia ultra-wysokoenergetycznych promieni kosmicznych w skali dużych kątów, co wskazuje, że ich pochodzenie znajduje się poza naszą Galaktyką:
    [Science 357 (2017) 1266];
  • Anizotropia w skali pośredniej sugerowana przez korelację z różnymi katalogami astrofizycznymi:
    [ApJL 853:L29, 2018].
  • Najlepsza górna granica strumienia neutralnych cząstek podstawowych (neutrin i fotonów) wysokich energii (>1017 eV); kluczowa rola w dziedzinie astrofizyki multimessenger:
    [JCAP 1910 (2019) 022, JCAP 1704 (2017) 009].

Wróć