Kosmické záření a projekt Pierre Auger

Ondřej Vaněk, 18. dubna 2005

Na naši Zemi neustále dopadají z kosmu různé částice, které mají velmi vysokou energii. Energie těchto částic jsou mimořádně vysoké a dodnes neumíme přesně určit, jak tyto částice vznikají, popřípadě co může být zdrojem jejich vysoké energie. V současnosti se však tento problém začíná objasňovat, k čemuž přispěje dosud největší budovaná observatoř Pierra Augera. Pojmenována byla po francouzském fyzikovi, který v roce 1938 odhalil existenci spršek sekundárního  kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. a odvodil velmi vysoké energie záření, které tyto spršky vyvolává. Aktivním účastníkem projektu je i Česká republika.

Kosmické záření

Kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. si můžeme představit jako vysokoenergetický proud částic, který proniká do zemské atmosféry z kosmického prostoru. Toto záření nazýváme jako primární kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., které při dopadu na zemskou atmosféru interaguje s částicemi v atmosféře. Při těchto srážkách vznikají další částice, reakce se rozvětvuje a vzniká tzv. sekundární kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., respektive sprška sekundárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Teprve tato sprška dopadá na zemský povrch a za pomocí výpočtů se určí energie částic, které tuto spršku vyvolaly a také směr, odkud tyto vysokoenergetické částice přišly, respektive kde se nachází zdroj těchto částic. Složení kosmického záření je asi z 90 % tvořeno protony a zbytek tvoří jádra helia a těžších prvků, v malém množství jsou zastoupeny i elektrony. Dalšími částicemi, které tvoří kosmické záření, mohou být například i neutrina nebo někdy jsou za součást záření považovány rovněž i velmi energetické gama fotony.

Sprška sekundárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Srážky energetických částic
probíhají s částicemi atmosféry. Časté jsou záchyty elektronů v atomárních
obalech. Proto se na schematickém obrázku nezachovává elektrický náboj.

Jak již bylo řečeno, částice primárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. mají velmi vysokou hodnotu energie. Velikost této energie se pohybuje od 10⁹ eV až do zhruba 10²⁰ eV. Nejenergetičtější částice, kterou umíme uměle vyrobit v urychlovačích, má energii řádu 10¹² eV.

S rostoucí energií částic se také mění četnost jejich dopadu na zemský povrch. Zatímco částice s energií kolem 10⁹ eV dopadají na zem často a ve velkém množství (zhruba deset tisíc částic na 1 m² za vteřinu), s rostoucí energií částice se množství dopadnutých částic zmenšuje – například částice s energií 10¹² eV dopadne pouze jedna na jeden metr čtvereční za sekundu. Tento tok částic, dopadajících na zemský povrch, je nepřímo úměrný třetí mocnině jejich energie – viz následující obrázek.

Tok kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku..

Na obrázku jsou patrné dvě oblasti – koleno, kdy pozorujeme, že částic s energií kolem 10¹⁶ eV dopadá na zemský povrch pouze několik ročně na m², a tzv. kotník, kde narážíme na největší problém. Je to oblast, kdy mají částice energii 10¹⁹ eV a více. Taková částice dopadne pouze jedna za rok na km² a problém je v tom, že podle současné teorie by záření s takovými energiemi nemělo vůbec existovat. Zatím nejenergičtější částice, kterou se podařilo na Zemi zachytit pomocí fluorescenčního detektoru při experimentu Fly's eye (Muší oko) v roce 1991, měla energii 3,2×10²⁰ eV (přes 50 J!) a taková částice dopadne na Zemi asi pouze jednou za 40 let na jeden km².

Jednou z vlastností kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. je to, že je téměř přesně izotropní. Tedy jej ze všech směrů přichází stejně. Určit směr, odkud částice přicházejí, je velmi složité, protože během své cesty k Zemi opisují složité trajektorie, což je způsobeno zejména tím, že kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. obsahuje převážně nabité částice, jejichž dráhy jsou zakřivovány magnetickými poli. Zakřivení těchto drah je však nepřímo úměrné energii částice a přímo úměrné jejímu náboji a intenzitě magnetického pole, ve kterém se pohybuje. Zakřivení dráhy se udává pomocí tzv. Larmorova poloměru. Ten je například v naší Galaxii pro proton s energií 10¹⁵ eV zhruba 0,5 parsekuParsek – jednotka vzdálenosti. Jde o vzdálenost, ze které by velká poloosa dráhy Země kolem Slunce byla vidět pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Číselně je 1 pc = 30×10¹² km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc).. Jelikož je však zakřivení dráhy nepřímo úměrné energii, potom dráhu částice s energií nad 10¹⁹ eV magnetické pole Galaxie téměř neovlivní – jejich poloměr je v řádu několika kiloparsekůParsek – jednotka vzdálenosti. Jde o vzdálenost, ze které by velká poloosa dráhy Země kolem Slunce byla vidět pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Číselně je 1 pc = 30×10¹² km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc).. Proto kdyby se zdroj tohoto záření nacházel v naší Galaxii, pozorovali bychom větší počet takových částic dopadajících na zemskou atmosféru. To však nepozorujeme a je tedy velmi pravděpodobné, že zdroj kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. se nachází mimo naši Galaxii.

Z těchto důvodů tedy nemůžeme určit zdroj kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Vědci se pouze dohadují, co může toto záření způsobovat. Možné zdroje lze rozdělit do tří kategorií:

1. Mohou to být velmi rozlehlé objekty – galaxie nebo velká oblaka mezigalaktického plynu – ve kterých dochází k postupnému urychlování částic, například na elektrických dvojvrstvách. Ty mohou z těchto zdrojů dosáhnout energie až 10²⁰ eV.

2. Zdroje, v nichž probíhají katastrofické procesy – například supernovy, aktivní galaktická jádra, akreční disky u neutronových hvězd a podobně. I v těchto zdrojích může docházet k urychlení částic na energii vyšší než 10²⁰ eV.

3. Tzv. exotické urychlovače – například dosud neznámé supertěžké částice, jejichž existenci předpovídá supersymetrická teorie (SUSY).

Na své cestě však kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. ztrácí svoji energii, především srážkami s jinými částicemi, například s fotony reliktního zářeníReliktní záření (CMB - Cosmic Microwave Background) – záření, které se od hmoty oddělilo 380 000 let po vzniku vesmíru, dnes má teplotu 2,73 K a z jeho fluktuací usuzujeme na vlastnosti našeho vesmíru. . Pro protony byla stanovena mezní energie, kterou mohou získat bez ohledu na jejich počáteční energii po dosti dlouhé době. Dosáhnou jí ve vzdálenosti 50÷100 Mpc. Tuto vzdálenost vypočetli Greisen, Zacepin a Kuzminem, mez se nazývá GZK (dle příjmení autorů) a činí zhruba 5×10¹⁹ eV.

Závislost energie částice na uražené vzdálenosti.

Z této závislosti a ze skutečnosti, že občas (velmi zřídka, ale přeci jenom) detekujeme částice s energiemi většími než je mez GZK, lze vyvodit dvě možná řešení, kde se mohou zdroje kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. nacházet. Za prvé: tyto zdroje se vyskytují „blízko“ Země, a to (podle grafické závislosti) ve vzdálenosti do 100 Mpc. V takovém případě však vědci na otázku původce záření neznají odpověď, jelikož žádný takový objekt v této vzdálenosti není dosud znám. Za druhé: – zdroje jsou ve větších vzdálenostech a mez GZK je vypočtena špatně. Z čehož může vyplývat například tvrzení, že Lorentzova transformace není zcela přesná a speciální teorie relativity má omezenou platnost.

Detekce kosmického záření

Jako první detekoval kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. roku 1912 Viktor Hess, a to pomocí balónu, kterým vynesl do vzduchu ionizační komoru a s rostoucí výškou zachycoval více a více ionizačního záření. V dnešní době se používají rovněž detektory umístěné na družicích, ale především pozemské detektory, o kterých nyní pojednáme.

Victor Hess před svým letem balónem v roce 1912.

Pozemské detektory se používají převážně z toho důvodu, že výskyt částic s velmi vysokými energiemi je velmi vzácný. Proto je třeba užít detektory s co největší efektivní plochou, aby byla šance zachytit alespoň několik částic s energiemi kolem 10²⁰ eV, což při použití například detektorů na družicích není zcela reálné. Ze zkušeností s dobře proměřenými experimenty na urychlovačích a na základě analýzy mnohočásticových simulací lze ze spršky sekundárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. určit energii primárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. s přesností na několik procent a navíc lze odlišit, zda se jedná o proton, extrémně energetický foton nebo těžší jádro.

Spršku sekundárního záření můžeme sledovat dvěma způsoby. Jednak lze vytvořit pozemskou síť detektorů, kterými se určuje velikost a tvar spršky a dále intenzita a složení v různých částech spršky. K tomu jsou využívány buď scintilátory, ve kterých dochází k interakci s plastickou hmotou scintilátoru, při čemž dochází ke vzniku záblesků, které jsou detekovány fotonásobičem. Nebo jsou k tomu využívány detektory Čerenkovova zářeníČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření může být sledováno speciálními pozemskými dalekohledy., ve kterém je opět pomocí fotonásobičů detekováno Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí., které produkují ve vodě nabité částice s rychlostí větší než je rychlost světla. Tyto detektory mohou pracovat ve dne i v noci, bez ohledu na počasí.

Pozemní Čerenkovův detektorČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření může být sledováno speciálními pozemskými dalekohledy. v projektu Auger, Argentina. Zdroj: Auger homepage.

Dalším způsobem jak detekovat kosmické zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. je přímé sledování vývoje spršky sekundárního záření v atmosféře. Nabité částice totiž při svém průletu atmosférou excitují molekuly a převážně při návratu molekul dusíku do základního stavu můžeme pozorovat viditelné světlo, které můžeme zaznamenat pomocí dalekohledů vybavených rychlými fotonásobiči – tzv. fluorescenčním detektorem. Tyto detektory však mají jednu nevýhodu – mohou pracovat pouze za jasných bezměsíčných nocí, a tak je jejich pozorovací čas pouze desetinou pozorovacího času detektorů ČerenkovovýchČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření může být sledováno speciálními pozemskými dalekohledy. nebo scintilačních.

Fluorescenční detektor.

Projekt Pierre Auger

V roce 1991 přišel Hungye Dai z University of Utah během svého projektu, nazvaného Fly's eye (Muší oko), na velmi neobvyklé výsledky. Tehdy bylo zjištěno, že do atmosféry nad Utahem dopadla částice s energií 3×10²⁰ eV, což je částice s energií asi 300 milionkrát vyšší než jsou částice, které dokážeme uměle vyrobit pomocí nejvýkonnějších urychlovačů na světě. V současnosti není známo, co může být zdrojem částice s tak vysokou energií. Proto vědci z celého světa začali pod vedením Jima Cronina, spolunositele Nobelovy ceny za objev asymetrie v chování hmoty a antihmoty, v roce 1995 spolupracovat na tzv. projektu Pierre Auger, což je mezinárodní projekt, na němž se podílí na 300 vědců z 18 zemí světa.

První představy směřovaly k vytvoření 2 identických observatoří – jedna na severní polokouli a druhá na jižní, aby byla pokryta celá obloha. Nejdříve se tedy začalo pracovat na observatoři na jižní polokouli, která bude obsahovat 24 fluorescenčních dalekohledů a 1 600 detekčních stanic pokrývajících území 3 000 km². Jako vhodné místo byla zvolena Argentina, oblast Pampa Amarilla, což je polovyprahlá planina v blízkosti města Malaragüe. Toto místo bylo rovněž zvoleno z důvodu malého světelného znečistění, jelikož se nachází v dostatečné vzdálenosti od obydlených oblastí.

Projekt Auger – ČerenkovovyČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření může být sledováno speciálními pozemskými dalekohledy. a scintilační detektory.

Detekční stanice vytvářejí jakousi síť. Každá stanice je od sousední vzdálena 1,5 km a tuto stanici tvoří plastová nádrž naplněná rafinovanou vodou, která je sledována třemi detektory světla. Při dopadu vysokoenergetické částice do vrstev zemské atmosféry se vytvoří sprška sekundárního kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., která dorazí během několika mikrosekund na zemský povrch. Hlavní proud těchto částic může narazit až na 40 detekčních stanic, které dopad těchto částic vyhodnocují. V prostředí, ve kterém je observatoř umístěna, je možné naměřené výsledky porovnávat pomocí fluorescenčních detektorů. Ty jsou tvořeny širokoúhlými zrcadly, která pozorují celou oblohu a soustřeďují svůj obraz na fotocitlivé detektory. Tyto dalekohledy detekují částice s energií 10¹⁸ eV a vyšší.

Detekce dopadajícího záření pozemskými detektory.

Projekt Pierre Auger a Česká republika

Česká republika (Fyzikální ústav AV ČR a Laboratoř optiky Univerzity Palackého a FZÚ AV ČR v Olomouci) se neoficiálně do projektu zapojila v roce 1997, řádným členem je pak od roku 1999. Jak bylo řečeno výše, hlavním článkem fluorescenčních detektorů je zrcadlová plocha, kterou tvoří 64 šestiúhelníkových zrcadel. A právě tento typ detektoru je vyvíjen v České republice a v současné době je v testovací fázi česko-německý prototyp, který snímá optický signál v rozsahu 300÷400 nm.

Závěr

Veškeré informace, které nám poskytne výzkumný projekt Auger o kosmickém zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., dramaticky změní naše znalosti. Přestože observatoř není stále hotová, je to bezesporu největší projekt v oblasti zkoumání kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. na světě a první významný experiment týkající se kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. jižně od rovníku. Shromažďuje tolik informací jako doposud žádný experiment v oblasti kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., a to rychleji, než se předpokládalo. Vědci mají za to, že první výsledky by mohli prezentovat v srpnu 2005 na mezinárodní konferenci v Indii. Do té doby budou všechna data pečlivě analyzována a kontrolována, aby mohly být výsledky patřičně prezentovány.

Bonus: Animace „Čerenkovův detektor projektu Auger“

Čerenkovův detektor projektu Auger. Projekt Auger se svýni 1 600 detektory rozmístěnými v Argentině je zatím největším projektem na sledování kosmického záření. K nejčastěji používaným detektorlům patří detektory Čerenkovova záření. Toto elektromagnetické záření vzniká za pohybující se nabitou částicí (většinou mionem), pokud je její rychlost v daném prostředí (v tomto případě vodě) nadsvětelná. Záření se zachytává fotonásobiči umístěnými na stěně nádoby. Každý detektor je samostatnou jednotkou s panelem slunečních baterií a anténou, která vyšle naměřené údaje do řídícího centra. Zdroj: University of Chicago.

Odkazy