Lovci kosmického záření

15. srpen 2010

Vesmírem proudí miliardy částic. Jejich původ je mnohdy těžké odhalit. Nejtajemnější z nich (a pro vědce nejzajímavější) jsou částice, oplývající extrémně vysokými energiemi. I jim se občas připlete do cesty naše planeta, což dává pozemským výzkumníkům šanci tyto částice kosmického záření zkoumat a odhalovat jejich tajemství. Právě proto byla postavena Observatoř Pierra Augera.

Jedním z vědců, jejichž jméno je bezprostředně spjato s Observatoří Pierra Augera, je Michael Prouza, astronom a astrofyzik, pracovník Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.

Můžete nám Observatoř Pierra Augera představit blíže? S její výstavbou se začalo před deseti lety - kde ale stojí, kdo ji provozuje a co všechno se prostřednictvím jejích přístrojů zkoumá?

„Observatoř Pierra Augera je v současné době vůbec největší detektor kosmického záření na světě. Provozuje ji konsorcium asi šedesáti různých vědeckých institucí ze sedmnácti zemí světa, protože, jak už to v současné době ve vědě chodí, jestliže chcete postavit opravdu špičkové a světově unikátní vědecké zařízení, tak jedna země na to nemá prostředky. Proto se vědci spojují do těchto velkých konsorcií a staví nové observatoře dohromady. Naše Observatoř Pierra Augera byla vybudována v Argentině a podařilo se ji dokončit koncem roku 2008. Teď už je plně hotová a rozkládá se na celkem neuvěřitelné ploše asi tří tisíc kilometrů čtverečních. Praha má rozlohu asi 400 kilometrů čtverečních, takže je to téměř osmkrát Praha vedle sebe, a celá ta plocha je pokryta našimi detektory. Je to z toho důvodu, že to kosmické záření je nejenom neobyčejně zajímavé, ale i neobyčejně vzácné. Abychom byli schopni ho zachytit v dostatečném množství, musíme na něj číhat na obrovské ploše.“

Odkdy se kosmické záření zkoumá a jak se to dělalo dřív, kdy ještě vědci nedisponovali takovými možnostmi, jaké přinesla Observatoř Pierra Augera?

„Kosmické záření vlastně stálo u samého zrodu částicové fyziky, úplně na počátku 20. století, kdy už lidé znali radioaktivitu a říkali si: ‚Tak dobře - existují nějaké radioaktivní horniny a z nich vylétají nějaké energetické částice. Když se ale od té radioaktivní Země někam vzdálíme, tak by ten tok záření měl zeslábnout.‘ Tím pádem napřed šplhali na vysoké věže, jako třeba Theodor Wulf na Eiffelovu věž v roce 1910. Později to byl zejména Victor Franz Hess, který létal v balonu a tím se dostával ještě dál od Země. Badatelé přitom zjistili velmi pozoruhodnou věc - kosmické záření (ale oni tehdy ještě nevěděli, že je kosmické) se vzdáleností od Země neslábne. Naopak, když se vyšplhají do těch velkých výšek, tak záření začne být ještě intenzivnější. Takže bylo zřejmé, že ten zdroj není jen to radioaktivní záření, které vychází ze zemského povrchu, ale že existuje ještě druhý zdroj a ten je někde ve vesmíru. Odtud tedy ten název ‚kosmické záření‘ a odtud ten náš obor výzkumu. Takže to kosmické záření bylo objeveno už na samém počátku 20. století, jak jsem řekl, ale i po téměř stech letech zkoumání stále ještě nevíme, zvláště v tom nejenergičtějším oboru, jaké částice to vlastně jsou, odkud pocházejí a jaké jsou jejich zdroje. Naším základním cílem je odpovědět na otázku, jak je možné, že ve vesmíru jsou nějaké tak dobré zdroje, které umějí částice urychlit a vymrštit s tak vysokými energiemi. A to kosmické záření má energie skutečně rekordní. Zatímco v běžných urychlovačích jsme schopni dosáhnout energií několika bilionů elektronvoltů, to je číslo s dvanácti nulami, tak ty energie kosmického záření jsou ještě stomilionkrát vyšší! Je vidět, že příroda to pořád ještě umí podstatně lépe než člověk... Chování částic za takto extrémních podmínek je velmi zajímavé a jejich studiem se dozvídáme mnohé o struktuře hmoty.“

Co byste měli vědět o kosmickém záření

Říkal jste, že kosmické záření je neobyčejně vzácné. Jak hustě jeho částice na Zemi dopadají?

„Čím je kosmické záření energičtější, tím více je vzácné. Ty energie, které jsou pro nás nejzajímavější, jsou kolem deseti na dvacátou elektronvoltů. Z takových částic dopadá pouze jediná částice za jeden rok na sto kilometrů čtverečních, takže když máme pokrytých tři tisíce kilometrů čtverečních, tak těch částic vidíme zhruba asi třicet ročně. Ve skutečnosti je to ještě o malinko méně. Tyto částice jsou natolik vzácné, že všechny předchozí detektory jich skutečně změřily jenom pár - pět, šest, dvanáct, něco takového. Z toho se těžko dělá jakýkoli statistický závěr. Observatoř Pierra Augera je o jeden řád rozlehlejší než všechny její předchůdkyně a z toho důvodu jsme schopni konečně dělat nějaké přesnější statistické závěry o tom pozorování.“

A jak se v praxi částice kosmického záření odhalují?

Účast českých fyziků a techniků na projektu Pierra Augera

„V tomto ohledu je Observatoř Pierra Augerra skutečným unikátem - k jejich detekci používá jako první observatoř na světě zároveň oba existující základní typy detektorů kosmického záření... První typ je povrchový detektor. Jeho princip je ten, že na veliké ploše rozmístíte, obvykle v pravidelné síti, jednotlivé stanice a ty potom pracují v součinnosti... Ještě je tedy třeba říci, že my nechytíme samotnou částici s tou obrovskou energií, protože před podobnými částicemi nás chrání naše atmosféra. Už v poměrně velké výšce několika desítek kilometrů nad zemským povrchem se ta částice srazí s nějakou molekulou, nejčastěji s molekulou dusíku, a vznikne několik desítek produktů té srážky. Ty pořád ještě mají příslušné zlomky té původní energie, ale za chvíli se znovu srazí a pak znovu, desetkrát, třináctkrát, až z té jedné původní částice nakonec vznikne sprška sekundárních částic. Místo jedné částice pak na zemský povrch dopadá třeba deset miliard sekundárních částic a každá z nich nese jenom jednu desetimiliardtinu té původní energie. Princip pozorování je založen na tom, že zkoumáme právě jenom ty produkty, které vznikly mnoha interakcemi primární částice a jejích produktů s částicemi ve vzduchu.

Jedna varianta je, že si navzorkujeme nějaké částice z té spršky tím, že rozmístíme v pravidelných rozestupech stanice povrchového detektoru. V každé té stanici zachytíme pár částic z těch deseti miliard, třeba několik desítek nebo stovek, jsme-li poblíž středu té spršky, a právě z hustoty těch částic v jednotlivých stanicích a z velmi přesně analyzovaných časů příchodu těch částic do detektoru jsme pak schopni zrekonstruovat nejenom původní energii té primární částice, která přiletěla na Zemi z dalekého vesmíru, ale zjistíme i co to bylo za částici, jestli to byl proton nebo nějaké těžší jádro, a samozřejmě i to, odkud ta částice přiletěla. Takže první varianta je mít několik set - a v případě Observatoře Pierra Augera je to 1600 - povrchových detektorů, které vzorkují tu spršku kosmického záření... Druhá alternativa je takzvaná fluorescenční detekce. Po okrajích toho území, kde jsou rozmístěny naše povrchové detektory, máme celkem čtyři stanice s fluorescenčními teleskopy. V každé té stanici je šest fluorescenčních teleskopů, které sledují to území pokryté povrchovými detektory a přímo pozorují vývoj té spršky v atmosféře. Pozorují takzvanou atmosférickou fluorescenci.“

Česká republika a observatoř Pierra Augera

A jak ta fluorescence vzniká?

„Při těch interakcích částic ve spršce kosmického záření dochází mimo jiné k vybuzení molekul dusíku. Když se ty molekuly dusíku vrací do svého původního stavu, tak vyzáří foton, vyzáří viditelné světlo. To viditelné světlo pak můžeme pozorovat tím naším teleskopem. Samozřejmě jde o velmi rychlý proces. Než ta sprška doběhne na Zemi, tak to trvá jen pár miliontin sekundy, takže musíme mít velmi rychlou kameru, která je velmi často ‚vyčítána‘. V našem případě si celou tu kameru vyčteme jedenkrát za jednu desetimiliontinu sekundy v té oblasti, na kterou se díváme, a sledujeme potom přímo vývoj té spršky, která svítí fluorescenčním světlem. V Observatoři Pierra Augera je to vůbec poprvé, co byly obě dvě tyto metody použity zároveň. Tím pádem máme dvě nezávislé metody měření a můžeme je navzájem vůči sobě postavit a ověřovat jejich výhody a nevýhody. To se ukázalo jako nesmírně přínosné a podařilo se tak vyřešit hned několik problémů, se kterými se trápily všechny ty předchozí experimenty.“

Lov jednotlivých spršek, vznikajících v atmosféře dopadem částic kosmického záření, není nic jednoduchého. Nejen proto, že doba jejich trvání je mnohokrát kratší, než mrknutí lidského oka. Velkou překážku pro jejich pozorování představuje také světlo nebo rozmary počasí. Týká se to hlavně fluorescenčních detektorů.

„Samozřejmě, fluorescenční detektor velmi ovlivňuje počasí. Pokud máte oblačno, pokud je den a obloha je velmi jasná nebo pokud třeba svítí jenom měsíc, tak ty fluorescenční detektory to relativně slabé fluorescenční záření nejsou schopny zaznamenat. Fluorescenční teleskopy fungují jen relativně malou část běhu toho druhého, povrchového detektoru, který funguje 24 hodin denně a není nikterak omezen. Výhodou toho fluorescenčního detektoru, který funguje pouze za jasných bezměsíčních nocí, naopak je, že se u něj velmi snadno počítá energie té primární částice. Protože platí, že ta detekce fluorescenčního světla je kalorimetrická - to znamená, že množství světla vyprodukované v té spršce je přímo úměrné původní energii primární částice. Takže my jen velmi jednoduchým způsobem změříme celkové množství světla, které naše kamera zachytí; to pak vynásobíme nějakou speciální konstantou a dostaneme energii té primární částice. Je to velmi jednoduchá metoda. V případě těch povrchových detektorů zachytíme jen malou část produktů a musíme použít relativně složité hadronové modely - právě tohle byla velmi dlouhou dobu poměrně svízelná operace, protože hadronové modely a jejich parametry se měří na urychlovačích, tedy za energií o mnoho řádů nižších, než se skutečně dějí v tom kosmickém záření. A když jsme potom nuceni počítat tyhle procesy v tom nesmírně energetickém kosmickém záření, tak musíme velmi extrapolovat, o několik řádů nahoru, a tahle extrapolace samozřejmě není dostatečně přesná.

Právě díky Observatoři Pierra Augera, ale třeba i díky výzkumům, které byly konány na detektoru DELPHI v CERNu už někdy na přelomu 20. a 21. století, víme, že modely hadronových interakcí fungují za těchto energií špatně, nebo že prostě dávají trochu špatné předpovědi. Například jednoho typu částic, mionů, se ve skutečnosti vyprodukuje zhruba dvakrát více, než předpovídají tyto modely a tím pádem i ty energie, které byly doposud odvozovány pomocí těch povrchových detektorů, byly taky špatně. V tomto našem oboru existoval jakýsi rozpor mezi dvěma největšími předchůdci Observatoře Pierra Augera, což byl povrchový detektor AGASA, který fungoval v Japonsku a fluorescenční detektor HiRes, který fungoval ve Spojených státech. Tyto dva detektory ještě právě třeba v roce 2001 dávaly zcela rozporuplné výsledky. AGASA říkala, že těch částic s energiemi nad deset na dvacátou je spousta a HiRes říkal - ne, ne, je jich jenom pár. Přitom oba dva ty experimenty vypadaly velmi seriózně. A nyní, právě díky Observatoři Pierra Augera, která je hybridním experimentem, to znamená, že využívá obě dvě metody současně, tu správnou odpověď známe a víme, že pravdu měl HiRes. Problém AGASY byl, že byla nucena používat staré a trochu špatné modely hadronových interakcí, tím pádem přeceňovala všechny energie částic, které k ní přicházely a měla proto podstatně vyšší počet částic s těmi nejvyššími energiemi, než byla skutečnost.“

Informace o dopadajících částicích získávají a shromažďují stovky zařízení, rozmístěných na ploše osmkrát větší, než je rozloha Prahy - zejména se jedná o povrchové detektory, což jsou v podstatě jakési „sudy s vodou“ opatřené přístroji. Jakým způsobem se informace z nich shromažďují a kde se vyhodnocují?

Česká republika a observatoř Pierra Augera

„Není to nic speciálního. V době, kdy byla observatoř navrhována, tak to vypadalo poměrně unikátně, ale nyní už má každý doma nějakou bezdrátovou wi-fi síť - jsou téměř všudypřítomné. Pomocí těchto rádiových sítí ty sudy komunikují. Nikoli mezi sebou, ale s komunikačními věžemi, které jsou čtyři a stojí u těch budov, kde jsou instalovány fluorescenční dalekohledy. A pak zase, jenom na jiné frekvenci, je všechno rádiovým přenosem z těch komunikačních věží přeneseno do jednoho centra. To centrum leží v městečku Malargüe, které se nachází v Argentině a kde je jakási naše základna. Tam je i výpočetní středisko, kde se všechna data zpracovávají a ty přicházející spršky se analyzují. Každý z těch detektorů je zcela nezávislou stanicí, je na něm solární panel, baterie, komunikační a GPS anténa, takže on si velmi přesně měří svůj čas, sám se stará o svoji energii, kterou potřebuje na svůj provoz, komunikuje s komunikačními věžemi a potažmo tedy i s počítačovým centrem.“

Stávající observatoř v Argentině představuje vlastně jen polovinu projektu. Podobně rozsáhlý kombinovaný detektor částic kosmického záření by měl vzniknout v budoucnu i na severní polokouli, v americkém Coloradu. Pokud na něj budou peníze. Pak by byla pod stálým dozorem celá obloha, a to za nezanedbatelné účasti českých odborníků, kteří na projektu spolupracují prakticky od samého počátku. Jedním z nich je i astronom a astrofyzik Michael Prouza z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.

Observatoř Pierra Augera - základna a výpočetní středisko v argentinském městečku Malargüe

Přepis: NEWTON Media, a.s., redakčně upraveno. Repríza z Planetária č. 26/2009, vysílaného 27. června - 3. července.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (14:04).

autoři: frv , Michael Prouza
Spustit audio