znanost / Zbiralci kozmičnih žarkov

Gre za observatorij, s katerim raziskujemo kozmične žarke z najvišjimi energijami. Te energije daleč presegajo energije, do katerih znamo pospešiti nabite delce na Zemlji, v pospeševalnikih. Proton z najvišjo energijo, ki so ga opazili do zdaj, ima makroskopsko energijo.

Kaj to pomeni?

Gre za energije okrog 50 joulov.

Povejte bolj po domače.

Teniška žogica, ki leti s hitrostjo 150 km/h - torej teniška žogica pri precej močnem servisu -, ima kinetično energijo 100 joulov. Predstavljajte si, da je tolikšna energija zbrana v drobnem protonu, ki prihaja iz vesolja.

Če bi nas tak proton zadel, bi ga torej čutili?

To ne. Proton do Zemlje ne pripotuje v enem kosu. V vrhnjih plasteh atmosfere trči z jedri dušika ali kisika. Začne se nekakšna kaskada. Ko proton ob vstopu v atmosfero trči v jedra dušika ali kisika, iz njih izbije protone in nevtrone, ti pa potem letijo naprej, ponovno zbijajo in kreirajo nove delce. Tako nastane plaz delcev. Ti skoraj s svetlobno hitrostjo zletijo skozi atmosfero. Na tla prileti 100 milijard nabitih delcev. En proton z ogromno energijo torej sproži kaskado, plaz delcev.

Če bi šli tja gor, nad atmosfero, in bi nas zadel tak proton z orjaško energijo - bi ga čutili?

Ne. Gre namreč za ultrarelativistični delec, ki gre skozi vas. Ko gre skozi vas, v telesu pusti zelo malo energije. V bistvu vas prebode. Tudi s stališča radioaktivnosti ima na telo zanemarljiv učinek.

Torej po vesolju letajo protoni, ki imajo kinetično energijo hitro leteče teniške žogice. Od kod prihaja?

Gre za izjemno hitre delce, ki po vesolju potujejo praktično s svetlobno hitrostjo. O njihovih izvorih zaenkrat vemo le to, da jih v bližini naše galaksije ni.

Kaj je za vas "blizu"?

Govorim o kozmoloških razdaljah. Verjamemo, da ti delci prihajajo iz predelov vesolja, ki so okoli 150 milijonov svetlobnih let daleč ali še dlje.

To ni več naša galaksija, ne?

Seveda ne. Gre za ekstragalaktične izvore. V naši galaksiji takšnih izvorov ni. Tak delec praktično s svetlobno hitrostjo potuje skozi vesolje in nosi s seboj informacijo, od kje prihaja, kako je nastal in kje po vesolju je potoval. Možno je, da nekje obstaja izvor teh delcev. Možno je, da je ta delec ostanek iz trenutka, ko je prišlo do velikega poka. V trenutku, ko je prišlo do velikega poka, so bile na razpolago velike energije, vesolje je bilo majhno, komprimirano. Možno je, da nekaj teh delcev še od takrat blodi po vesolju.

In potem ti delci blodijo sto milijonov let?

Ker gre za delce, ki letijo skoraj s svetlobno hitrostjo, tem delcem čas teče drugače. Poznamo Einsteinov paradoks dvojčkov: eden od dvojčkov, ki potuje z veliko hitrostjo skozi prostor, se stara počasneje od dvojčka, ki ne potuje. Prvemu namreč čas teče počasneje. Einsteinov paradoks je seveda hipotetičen in nepreverljiv v makroskopskem svetu, saj makroskopski delci ne morejo doseči hitrosti, ki je blizu svetlobni. Pri delcih, ki jih raziskujemo, pa se to dogaja. Imajo strahovito hitrost, ki se šele na dvaindvajseti decimalki razlikuje od svetlobne hitrosti. Če prihajajo iz razdalje okoli 150 milijonov svetlobnih let, so ti delci, če gledamo z naše perspektive, potovali 150 milijonov let. Če pa bi ta delec sam nosil neko mikro mikro uro, bi od izvora do nas potoval vsega deset ur. Zanj je potovanje kratko in na cilj prispe mlad.

Ti delci torej izživljajo vse velike fantazije človeštva: potovanje skozi čas, potovanje z enega konca vesolja na drugega. Kaj ti kozmični žarki povedo o nastanku vesolja?

Ne vemo še, kaj nam bodo povedali. Za zdaj vemo le to, da obstajajo. V 60-ih letih prejšnjega stoletja so se začeli prvi poskusi, obstajajo znanstvene meritve le za nekaj deset kozmičnih žarkov z ekstremnimi energijami, ki so zadeli Zemljo. Gre za kozmične žarke z energijo, ki znaša okoli 1020 elektron volta (eV). Vemo torej, da ti delci obstajajo. Vemo, da so redki. Vemo, da letno na kvadratni kilometer Zemlje prileti en delec z energijo 1019 eV. In vemo, da so delci, ki nosijo višjo energijo, energijo 1020 eV, še bolj redki. Na stoletje na kvadratni kilometer Zemlje prileti samo en tak delec.

Ti delci so torej kot meteorji. Priletijo na vsakih nekaj let?

Vendarle so bolj pogosti od meteorjev. Hkrati pa dejstvo, da so redki, predstavlja pomemben eksperimentalni problem. Potrebno je zgraditi naprave, ki v doglednem času, recimo v četrtini kariere nekega znanstvenika, omogočijo dovolj meritev, da iz teh meritev kaj razberemo.

Koliko časa bo trajal eksperiment z delci, pri katerem sodelujete?

Deset do petnajst let. Narediti moramo dovolj velik observatorij, da lahko s tem observatorijem v doglednem čas nekaj izmerimo. Naš eksperiment bo imel dva observatorija, enega na severni in enega na južni polobli. Vsak naj bi meril 3000 kvadratnih kilometrov. Prvega postavljamo v Argentini, observatorij na severni polobli je v fazi načrtovanja, postavljen bo v ZDA. Morda bomo drugi observatorij povečali do površine 10 tisoč kvadratnih km.

Deset tisoč? To je površina polovice Slovenije. Na kakšen način opravljate meritve?

Primarnega delca ne moremo meriti, ker v atmosferi trči v delce kisika in dušika ter sproži plaz, o katerem smo že govorili. Ta ima, ko vseh 100 milijard delcev tega plazu trešči na Zemljo, premer pet do deset kilometrov. Da bi zbrali podatke o vseh teh milijardah delčkov plazu, ki pa ga je sprožil en sam delec, postavljamo mrežo detektorskih postaj, ki so občutljive na nabite delce. Observatorij je torej sestavljen iz stotin posameznih detektorskih postaj. Če je premer celotnega plazu, ki ga sproži en delec iz vesolja, okoli pet kilometrov, morajo biti posamezne detektorske postaje postavljene dovolj gosto. Znotraj petkilometrskega prostora mora biti več postaj. Detektorske postaje merijo časovni prihod ter število delcev. Ob pomoči zapletenega algoritma to omogoča, da izračunamo energijo primarnega delca ter smer, od kod primarni delec prihaja.

So detektorske postaje povezane?

Postaje morajo komunicirati med seboj, komunicirati morajo z zbirnim stolpom ter s centralno postajo.

Pa z vesoljem morajo komunicirati, ne?

To pa ni treba. Res pa je, da so detektorske postaje opremljene z GPS tehniko, kar omogoča zelo natančno sinhronizacijo merjenja časa.

So postaje povezane z optičnimi vlakni?

Ne. To bi bilo nemogoče. Na razdalji 60 x 60 km je 1.600 detektorskih postaj. Finančno ne bi zdržali, če bi morali vseh 1.600 postaj povezati z optičnimi vlakni.

Kako pa detektorske postaje komunicirajo med seboj?

Poenostavljeno povedano: prek mobilne telefonije. Prek radijskih valov. Vsaka postaja ima GPS napravo, radijsko napravo ter sončno celico. V pampi ni elektrike, vsaka detektorska postaja se mora sama oskrbovati z energijo. Od ene do druge detektorske postaje je 1600 metrov.

Kaj je pravzaprav detektorska postaja?

V resnici gre za velik tank vode - 10 kubičnih metrov vode -, ki mora biti kemično in biološko čista. Optična prepustnost vode mora ostati enaka ves čas delovanja observatorija, notri se, na primer, ne smejo razrasti alge. Če gre v vsako detektorsko postajo 10 kubikov, teh pa je 1600, je to 16 milijonov litrov vode. Senzorji, ki so v detektorski postaji, zaznajo, ali so ob detektor trčili nabiti delci.

Vodo je treba v pampo pripeljati?

Vode v pampi ne manjka. Morali pa smo postaviti čistilno postajo, ki vodo čisti.

Pravite, da obstajata dve sorti detektorjev. Ob detektorskih postajah, ki merijo, kaj se dogaja na tleh, imate še en detektor.

Z drugim detektorjem želimo, če poenostavim, posneti film o tem, kako se skozi atmosfero razvije plaz delcev. Ko plaz potuje skozi atmosfero, nabiti delci vzbudijo atome dušika, atomi dušika pa oddajajo fluorescenčno svetlobo. Te fluorescenčne svetlobe je sicer zelo malo, ker pa gre za 100 milijard nabitih delcev, jo je dovolj, da jo je mogoče zaznati. Ne sicer s prostim očesom, ker je ta svetloba v ultravijoličnem delu spektra in je oko ne zazna. Hkrati je precej šibka. Da bi to svetlobo zaznali, smo morali razviti in postaviti posebno kamero, s katero dogodek filmamo. Temu rečemo fluorescenčni detektor. Gre za sistem ogledal, velikih približno 10 kvadratnih metrov, ki gledajo v razne dele neba, polovijo svetlobo in jo usmerijo na detektor, ki je tak kot mušje oko - sestavljeno je iz malih fotoobčutljivih detektorčkov. Ta fluorescenčni detektor mora biti izjemno hiter. Slikamo dogodek - potovanje plazu delcev z vrha atmosfere do tal -, ki traja 30 mikro sekund. Torej 30 milijonink sekunde. Če želimo o tem dogodku posneti film, potrebujemo izjemno hitro kamero. Če navadno kamera naredi 25 slik na sekundo oziroma 1 sliko na 40 tisočink sekunde, moramo mi sliko posneti na vsakih 30 nano sekund. Torej potrebujemo kamero, ki je milijonkrat hitrejša od običajne kamere in posname posamezno sliko v 30 miljardink sekunde. Ta kamera je prvovrsten tehnični dosežek.

Povzemimo: celoten observatorij je torej sposoben beležiti, kaj se dogaja, ko delci priletijo na zemljo, in kako ti delci drvijo skozi atmosfero.

Če celotno zgodbo zaokrožimo, dobimo na 3000 kvadratnih kilometrih razpostavljene detektorske postaje za nabite delce, okoli pa so trije stolpi s fluorescenčnimi detektorji, ki gledajo nad celotno področje tega observatorija. Do zdaj ni bilo observatorija, ki bi uporabljal obe tehniki hkrati. Talna detektorska postaja pove, kaj v določenem časovnem preseku pade z neba. Drugi detektor pa snema film, ki govori, kako se razvija plaz delcev od zgornjih plasti atmosfere pa vse do tal.

In ker so detektorske postaje povezane med seboj, si lahko sporočajo: halo, nekaj me je zadelo. Ali je tebe tudi kaj zadelo?

Da. In če dovolj detektorskih postaj sporoči, da jih je nekaj zadelo, lahko sklepamo, da gre za nekaj resnega. Fluorescenčni detektor deluje neodvisno. Na koncu pa pogledamo, ali je fluorescenčni detektor kak dogodek zaznal v istem trenutku kot detektorske postaje.

In kolikokrat na leto se zgodi, da detektorji kaj zaznajo?

Če gledamo najvišje energije, na kvadratni kilometer vsako stoletje prileti en delec. Ker gre za področje, veliko 3000 kvadratnih kilometrov, bo - ko bo observatorij povsem končan - zaznal okoli 30 teh dogodkov letno. Delce z nižjo energijo pa zaznava ves čas.

Zanimajo vas torej delci, ki prihajajo iz sfere, ki ne korespondira z ničemer do zdaj znanim.

Točno.

Torej to prihaja iz neke paralelne sfere? Kaj so možni izvori teh delcev?

Ena možnost bi bilo pospeševanje. V vesolju obstajajo objekti z magnetnimi in električnimi polji. V vesolju torej obstajajo potencialni pospeševalniki. Zelo preprosta formula je sledeča: energija, ki jo prejme delec, ko zapusti tak "pospeševalnik", je sorazmerna velikosti astronomskega objekta in magnetnega polja, ki v tem objektu obstaja. Če želite priti do velikih energij, potrebujete bodisi zelo velike objekte bodisi zelo velika magnetna polja. Ali pa oboje hkrati - vendar empiričnih podatkov, da bi obstajalo oboje hkrati, ne poznamo. Značilnost astronomskih objektov je namreč ta, da če so ti veliki, imajo relativno šibka magnetna polja. Mali objekti - črne luknje, denimo - pa so obdani z zelo močnim magnetnim poljem. To so torej potencialni izvori teh žarkov.

Potencialni izvor je torej lahko tudi črna luknja.

Tudi. Po zdajšnjem poznavanju astronomskih objektov in razumevanju procesov pospeševanja v vesolju ni tako mogočnih pospeševalnikov, ki bi delce pospešili do energij, ki jih premorejo ti superenergetski delci. Znani astronomski objekti lahko pospešujejo delce do nižjih energij. Ne zmorejo pa delca pospešiti do energije 1020 eV.

Črne luknje so misterij vesolja, o njim ne vemo ravno veliko.

Se pa z njimi ukvarja veliko ljudi.

Ali nam ti delci, če bi se izkazalo, da prihajajo iz črne luknje, redefinirajo dosedanje vedenje o črnih luknjah. Ali črna luknja za nas postane kaj bolj praktična, bolj uporabna?

Ti delci - ne glede na to, od kje prihajajo - bodo vir informacij o njihovem izvoru. Če bi te delce res oddajala črna luknja, bi bila porazdelitev teh delcev po energijah nekoliko drugačna, kot če bi jih oddajal nek makroskopski objekt, ali pa, če bi bil izvor delcev nek katastrofični pojav, denimo trk dveh galaksij. Ko bomo to informacijo imeli in če bomo opazili, da superdelci prihajajo od določenih objektov, se bomo lahko lotili natančnejšega opazovanja teh objektov. To bi lahko odprlo čisto nova poglavja astronomije.

Pa po dosedanjem vedenju črna luknja sploh lahko oddaja delce?

Črna luknja po do zdaj znanih podatkih delcev ne oddaja - črna luknja snov požira in ne oddaja.

Saj; glede na to, da iz črne luknje ni prišlo še nič, tudi nimamo nobene osnove, da bi o njej govorili. Če bi ti delci prihajali iz črne luknje, bi bila to revolucija.

Če. Za zdaj nimamo nikakršnih znakov, da bi ti delci prihajali iz črne luknje. Gre le za možno hipotezo. Možen je tudi tretji scenarij: morda ti delci prihajajo iz objektov, ki jih današnja astrofizika sploh še ne pozna. Zavedati se morate, da danes poznamo optično sliko dela vesolja - to nam omogočajo optični teleskopi - ter radijski sliko dela vesolja. Ni rečeno, da je to vse. Če imajo ti delci izvor v astronomskih objektih, jim zaradi velike energije niti galaktično niti intergalaktično magnetno polje ne bi spremenilo smeri. Če denimo tak delec potuje 150 milijonov svetlobnih let skozi inergalaktični prostor, bi se mu smer spremenila za manj kot eno stopinjo. Če bo torej veliko meritev pokazalo v isto smer, pa obstoječi optični ali radio zemljevidi vesolja v tisti smeri ne bodo poznali ničesar, bo potrebno te zemljevide popraviti. To bo dokaz, da tam nekaj je. In začeli bomo iskati.

Kateri hipotetični scenarij je vas favorit?

Ne nagibamo se k nobeni rešitvi.

Pač pa zbirate podatke. In preigravate opcije.

Kot rečeno: ni nujno, da bomo rešitev problema našli v okvirih sedanje astrofizike. Ni nujno, da so viri kozmičnih delcev astronomski objekti. So tudi druge možnosti. Morda so ti kozmični žarki ostanek velikega poka. Morda so se pojavili ob velikem poku, ko je bilo vesolje še majhno. Danes pa je vesolje veliko, Zemlja v tem vesolju predstavlja manj kot zelo majhno pikico, zato je verjetnost, da tak delec zadene Zemljo, majhna. Zato se danes zdi, da je teh delcev zelo malo - čeprav jih je bilo morda ob velikem poku veliko.

Bi ti delci, če so ostanek velikega poka, spremenili sedanje teorije o velikem poku? Bi izvedeli, kaj je bilo pred velikim pokom?

Ta opazovanja gotovo ne morejo pojasniti, kaj je bilo pred velikim pokom. Bi pa dobili nekaj podatkov o dogajanju tik po velikem poku. Če ima delec zelo veliko energijo, pomeni, da je nastal v trenutku razvoja vesolja, ko je bilo na razpolago zelo veliko energije. Opazovanje delcev z veliko energijo pa posredno pomeni opazovanje razmer in pojavov v prvih trenutkih po nastanku vesolja.

Ali obstaja še kakšna hipoteza o nastanku kozmičnih žarkov?

Izvor teh delcev bi bil lahko razpad kakšnih osnovnih delcev, ki jih danes še ne poznamo.

Gre za delce, manjše od atoma?

Da. Tu se naše raziskave pomešajo s fiziko osnovnih delcev. Ta je danes omejena z zmogljivostjo pospeševalnikov. Do energij, ki so nam na voljo, namreč lahko preučujemo interakcije med osnovnimi delci. Vemo pa, da se je fizika osnovnih delcev v začetnih fazah razvoja vesolja odvijala na bistveno višji energijski skali, kot nam je danes dosegljiva s pospeševalniki. Tu lahko obstajajo novi osnovni delci. Mi danes teh delcev ne poznamo, laboratorijsko jih ne moremo narediti. Danes smo z energijo sedli do tja, kjer se šibka in elektromagnetna sila združita v enotno silo. Verjamemo, da na višjih energijskih nivojih prihaja tudi do poenotenja močne, šibke in elektromagnetne sile in morda celo gravitacije. Zato morda obstajajo zelo težki delci, ki so nestabilni in razpadajo. Če bi izjemno težak delec z veliko maso obstajal in razpadel, bi bil lahko produkt tega razpada tudi proton z ekstremno visoko energijo. Ti scenariji ostajajo odprti.

Observatorij ste postavili sredi pampe. In kaj naredite, če vam tam crkne računalnik? Sedete na konja in do Mendoze jezdite tri dni?

Pogoji dela v pampi so seveda drugačni, kot če bi eksperiment izvajali v urbanem okolju. Gre za pokrajino, ki je praktično neobljudena. Od časa do časa se od nekje pojavi kak gaucho, sicer pa daleč naokoli ni nikogar. Observatorij stoji 500 kilometrov južno od Mendoze, povsem pod Andi in do Mendoze le ni tako daleč.

Zakaj pa ste šli pod Ande?

Nadmorska višina je ugodna, saj je za eksperiment najbolj primerno, če poteka na nadmorski višini okoli 1200 do 1500 m. Hkrati je planota povsem ravna. In tretjič, fluorescenčni detektor potrebuje čisto atmosfero.

In svetlobnega onesnaženja ne sme biti.

Drži. Fluorescenčni detektor tako ali tako lahko dela samo ponoči, ko je jasno in ni lune. Torej samo 10 odstotkov časa. Talni detektor lahko dela ves čas.

Je še kak razlog za to, da ste se podali pod Ande?

Na južni polobli so za ta eksperiment primerne le tri lokacije. Južni del Namibije v Južni Afriki, Avstralija in Argentina. Avstralija kakšnega posebnega interesa ni pokazala, Argentina pa je kazala velik interes. Tedanji predsednik Menem je osebno z dekretom projekt podprl kot znanstveni projekt nacionalnega pomena. Veliko politično zanimanje za naš observatorij je vladalo v Južni Afriki. Tedanji predsednik Nelson Mandela si je osebno prizadeval, da bi observatorij zgradili pri njih, vendar v namibijski puščavi res ni ničesar. Gradnja observatorija na tej lokaciji bi bilo nerazumno draga.

Do katere faze je observatorij zgrajen?

Dobra lastnost observatorija je, da ga lahko dograjuješ. Tisto, kar imamo, že zdaj zbira podatke. Že leta 2001 smo lahko na 40 kvadratnih kilometrih naredili prve meritve. Izkazalo se je, da smo načrtovane parametre dosegli in celo presegli in financerji so prižgali zeleno luč. Danes je postavljenih 200 detektorskih postaj ter dva fluorescenčna detektorja. Po planu bi bil cel observatorij končan na koncu leta 2005.

Ampak ko raziskujete te delce, kaj si želite, da bi se vam prikazalo na drugi strani teleskopa?

Osebno nimam posebne želje.

Oh, ne govorite nam, da nimate nobene posebne želje.

Ta eksperiment ima to lepo lastnost, da bo vsakršna rešitev izjemno zanimiva. Če so ti delci posledica velikega poka, se nam odpira študija še neznanih procesov nastanka vesolja. Če so ti delci posledica razpada kakšnih drugih delcev, nas bo začel zanimati ta primarni delec. Kateri osnovni delci obstajajo na višje energijskih skalah? Morda pa se bomo morali ukvarjati z astrofiziko. Ali v vesolju obstajajo pospeševalniki, ki lahko generirajo visokoenergijske delce? Rezultat tega eksperimenta praktično ne bi smel prinesti razočaranja.

Pa je ta eksperiment drag?

Če to primerjate z eksperimenti v fiziki osnovnih delcev, je vse skupaj relativno poceni. Zakaj je poceni: ker imamo zastonj pospeševalnik. V fiziki osnovnih delcev je treba zgraditi zelo drag pospeševalnik, nam pa te delce z visokimi energijami podarja narava. Sami detektorji so sicer relativno dragi, vendar bo končna cena observatorija med 50 in 55 milijoni dolarjev. Sicer pa pri projektu sodelujejo znanstveniki iz 16 držav, 57 institucij; vseh nas je okoli 330.

Kako pa izgleda delo znanstvenika v pampi?

Naokoli ne moremo hoditi v belih haljah. Observatorij je preprosto treba postaviti in poprijeti za vsako delo. Pri projektu ni gospodov in garačev. Ko se gradi, gradimo vsi.

Kaj natančno je vas prispevek, prispevek novogoriške Politehnike?

Naš prispevek je t.i. lidar naprava: to pomeni Light Detection and Ranging - to je podobna naprava kot radar; le da radar beleži radijske valove, lidar pa svetlobne. Atmosfera v pampi je sicer zelo čista, vendarle pa za naše izračune potrebujemo natančne podatke, kakšno je stanje atmosfere na mestu, kjer merimo.

Atmosfera je torej motnja, ki jo morate poznati.

Atmosfera je po eni strani medij prenosa teh delcev, po drugi strani pa morate vedeti, skozi kaj potujejo delci. Če gre svetloba, denimo, skozi oblak, to predstavlja določeno motnjo. Naša skupina se ukvarja še z računalniško simulacijo razvoja plazov nabitih delcev v atmosferi in razvojem programov za analizo podatkov. Sicer pa mlajši kolegi, ki pišejo doktorate, in njihovi mentorji sodelujemo tudi pri analizi zbranih podatkov, kar je tudi končni cilj vsakega sodelujočega fiziki v tej veliki mednarodni znanstveni avanturi.