Крихітні частинки з космосу постійно проходять через Землю, хоча ми не можемо їх побачити, почути, відчути, спробувати або понюхати.

Багато з цих частинок пов’язані з космічними променями, високоенергетичними частинками, які можуть походити від вибуху зірок та інших бурхливих подій далеко за межами нашої Сонячної системи. Коли космічні промені потрапляють на верхні атоми земної атмосфери, вони створюють дощ вторинних частинок. Це включає мюони, які подорожують крізь атмосферу і навіть проникають під землю.

Професор фізики Делаверського університету Спенсер Аксані розробив пристрій під назвою CosmicWatch, який полегшує виявлення цих невидимих ​​частинок. Зараз цією технологією користуються всі, від учнів старших класів до професійних дослідників.

Детектор за 100 доларів виявляє невидимі космічні частинки

CosmicWatch розміром приблизно з коробку крекерів для тварин. Детектор, виготовлений з електронних компонентів вартістю близько 100 доларів США, блимає та записує відлік щоразу, коли мюон проходить повз. Інформація зберігається, щоб користувачі могли завантажити та проаналізувати дані пізніше.

Спочатку пристрій було створено як недорогий спосіб познайомити студентів з фізикою елементарних частинок. Але з тих пір CosmicWatch також взяв на себе роль у міжнародних астрофізичних дослідженнях.

«Детектор CosmicWatch дозволяє нам виконувати набагато більше фізичних досліджень у компактному, портативному форматі та за значно нижчою ціною, відкриваючи двері для багатьох нових типів експериментів і можливостей підтримки», — сказав Аксані.

Що мюони можуть розповісти про Всесвіт

Вчені вивчають мюони, тому що вони дають підказки про деякі з найпотужніших явищ у Всесвіті, включаючи наднові зірки, гамма-спалахи та блазари. Вимірюючи мюони, дослідники можуть оцінити властивості вихідних космічних променів, такі як їх енергія, маса та напрямок.

Мюонні пучки також зіграли важливу роль в історії фізики. На початку 1940-х років вимірювання цих частинок дали одне з перших експериментальних підтверджень спеціальної теорії відносності Ейнштейна.

Мюони також корисні для вивчення об’єктів на Землі. Частинки можуть проходити через тверді матеріали, такі як стіни, каміння та людей, не завдаючи шкоди. Оскільки вони залишають помітні енергетичні ознаки, вчені можуть використовувати їх для зображення структур, прихованих за великою кількістю матерії. У 2016 році мюонна технологія виявила невідомий раніше коридор у Великій піраміді Гізи.

Проблема полягає в тому, що традиційні мюонні детектори часто великі та дорогі. Це обмежує як експерименти, які можуть проводити дослідники, так і кількість шкіл, які можуть надати учням практичний доступ до технологій.

«У типовому студентському курсі фізики для вимірювання мюонів використовується електронний стелаж розміром з маленьку книжкову полицю», — сказав Аксані.

Початок CosmicWatch

Аксані вперше створив CosmicWatch у 2017 році, коли він був аспірантом Массачусетського технологічного інституту. Його початковою метою було створити компактний, енергоефективний детектор мюонів для використання в обсерваторії IceCube в Антарктиді.

IceCube — гігантський детектор, похований під льодом, який шукає нейтрино, інший тип субатомних частинок. Мюонні детектори корисні, оскільки вони допомагають дослідникам розрізняти нейтрино та мюони, які вони намагаються ідентифікувати.

У міру розвитку проекту Аксані зрозумів, що ту саму технологію можна зробити портативною та досить дешевою для використання в освіті. Відтоді CosmicWatch перетворився на інформаційний інструмент для навчання фізиці елементарних частинок.

Після приєднання до факультету UD у 2022 році Аксані продовжив удосконалювати дизайн. Нещодавно він випустив третю версію CosmicWatch. Покращення, описані в статті журнал вимірювань У жовтні нові детектори зможуть контролювати територію навколо, витримувати високі рівні радіації та швидше збирати дані.

«Хоча я раніше вивчав космічні промені, я не до кінця розумів багату фізику, що стоїть за роботою цих детекторів, щоб фактично «бачити» світ і виробництво атмосферних частинок», — сказав Масума Сарфраз, докторант лабораторії Аксані та провідний автор цієї статті в журналі. “Для таких студентів, як я, які працювали над теоретичними ідеями, це була чудова нагода зануритися в експериментальну сторону. Це також чудово пов’язано з моєю поточною великою дослідницькою роботою з фізики елементарних частинок”.

Від дослідження темної матерії до космічних польотів

Новітній дизайн CosmicWatch підходить для великомасштабного калібрування детектора. Зараз він використовується в експерименті NuDot UD та детекторі темної матерії в Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) у Лос-Аламосі, Нью-Мексико.

Дослідники також розробляють іншу версію, яка може вимірювати первинні космічні промені на борту ракет і космічних кораблів.

Незважаючи на розширення ролі досліджень, освіта залишається важливою частиною CosmicWatch. В університеті Аксані використовує детектор, щоб викладати елементарну, ядерну та астрофізику. Студенти отримують досвід роботи з високошвидкісною електронікою, перш ніж створювати власні пристрої та використовувати готові детектори в експериментах, які вони розробили.

Мусарат Шамс, докторант програми квантової науки та техніки, модифікував свій CosmicWatch, додавши датчики температури та тиску. Його метою було вивчення космічних променів у верхніх шарах атмосфери Землі.

У травні детектор пролетів на борту повітряної кулі на великій висоті на висоту 100 000 футів, поблизу межі космосу. Після вивчення вимірювань Шамс зміг показати, як потік космічних променів із космосу змінюється зі збільшенням висоти.

«Дуже дивовижно, що ми можемо створити щось у лабораторії за кілька днів, що може виявляти ці холодні частинки на відстані сотень світлових років», — сказав він.

Дозволяє студентам відчути справжню фізику елементарних частинок

CosmicWatch також використовується за межами Університету Делавера. Наташа Холмс, доцент фізики Енн С. Боуерз у Корнельському університеті, навчає студентів її вступного курсу фізики створювати детектори та проводити з ними експерименти.

Вона сказала, що робота безпосередньо з технологіями дає студентам досвід, який дуже близький до професійної експериментальної фізики.

«Студенти, здається, дуже захоплені тим, що роблять щось схоже на те, що насправді роблять фізики елементарних частинок і фізики-експериментатори», — сказала вона. «Студенти використовуватимуть це, щоб навчитися кодувати, але іноді вони ламають обладнання. У таких випадках ми повинні сказати їм бути обережними з обладнанням. Це дуже відрізняється від типової лабораторії фізики. Деякі студенти кажуть, що займаються «справжньою наукою» після використання».

Можливість глобальної мережі детекторів космічних променів

За оцінками Аксані, з моменту появи першої версії вісім років тому було створено тисячі детекторів CosmicWatch. Він сподівається, що глобальні зусилля «громадянської науки» можуть зрештою збільшити цю цифру ще більше.

Згідно з цією ідеєю, люди в різних частинах світу могли б вимірювати свої локальні швидкості мюонів і надсилати свої спостереження в центральне місце онлайн. Поєднання цих вимірювань може створити ширшу картину активності частинок на Землі.

Аксані також розробляє відповідні системи виявлення, які дозволять групі супутників більш розумно реагувати на зміни в навколишньому середовищі. Ця технологія могла б дозволити супутникам спілкуватися один з одним про ситуацію в космосі. Наприклад, якщо буде виявлено сонячний спалах, система сповістить сусідні супутники, щоб у разі потреби їх можна було вимкнути.

Те, що починалося як недорогий освітній проект, тепер поширилося на кілька областей передової фізики, чого Аксані ніколи не очікував.

«Це починалося як освітня програма, але вона знайшла застосування в багатьох різних областях фізики», — сказав Аксані. «Це дуже круто».