Már 100 dollárból is láthatóvá válhatnak az űrből érkező láthatatlan részecskék

A világűrből folyamatosan érkeznek olyan részecskék a Földre, amelyeket érzékszerveinkkel sem látni, sem hallani, sem érezni nem tudunk. Sok közülük a kozmikus sugarakhoz kapcsolódik, amelyek rendkívül nagy energiájú részecskék, és többek között felrobbanó csillagokból vagy más kozmikus eseményekből származhatnak.

Amikor ezek a részecskék elérik a Föld légkörét, atomokkal ütköznek, és másodlagos részecskékből álló záporokat hoznak létre. Ezek között találhatók a müonok is, amelyek képesek áthatolni a légkörön, sőt még a föld alá is eljutnak.

Egy kis doboz, amely az űrből érkező részecskéket érzékeli

Spencer Axani, a Delaware-i Egyetem fizikaprofesszora olyan készüléket fejlesztett ki, amely jelentősen megkönnyíti ezeknek a láthatatlan részecskéknek az érzékelését. A CosmicWatch nagyjából egy kisebb kekszesdoboz méretű, elektronikai alkatrészei pedig körülbelül 100 dollárba kerülnek.

Amikor egy müon áthalad a detektoron, az eszköz felvillan, és rögzíti az eseményt. Az adatokat később le lehet tölteni és elemezni. A készülék eredetileg oktatási célból született, hogy a diákok olcsón és közvetlenül ismerkedhessenek meg a részecskefizikával, de idővel kutatási eszközzé is vált.

A müonok vizsgálata azért fontos, mert segítségével a tudósok információkat szerezhetnek a kozmikus sugarak forrásáról. A részecskék méréséből következtetni lehet például az eredeti kozmikus sugár energiájára, tömegére és haladási irányára. A müonok kutatása a fizika történetében is jelentős szerepet játszott: az 1940-es évek elején végzett mérések az első kísérleti bizonyítékok között voltak Einstein speciális relativitáselméletére.

A piramisoktól az űrkutatásig

A müonok nemcsak a világűr vizsgálatára alkalmasak. Mivel szilárd anyagokon, például falakon és kőzeteken is képesek áthatolni, a kutatók segítségükkel olyan szerkezeteket is feltérképezhetnek, amelyeket más módszerekkel nehéz lenne megvizsgálni. A technológiát 2016-ban például a gízai nagy piramis belsejének vizsgálatakor használták, amikor egy addig ismeretlen folyosót fedeztek fel.

A hagyományos müondetektorok azonban gyakran nagyok és drágák. A CosmicWatch egyik legnagyobb előnye éppen ezért a mérete és az ára. A készülék ötlete 2017-ben született, amikor Axani még az MIT doktorandusza volt. Eredetileg az antarktiszi IceCube neutrínódetektor mellett szerette volna használni a müonok azonosítására.

Az eszköz azóta tovább fejlődött. A Delaware-i Egyetem kutatói 2022 óta újabb változatokon dolgoznak, a harmadik generáció pedig már nagyobb sugárzási terhelést is elvisel, gyorsabban gyűjt adatokat és képes a környezeti feltételek monitorozására.

A CosmicWatch ma már nagyobb kutatási projektekben is megjelenik, többek között a Delaware-i Egyetem NuDot kísérletében és a Los Alamos-i Coherent CAPTAIN-Mills sötétanyag-detektor mellett. Egy újabb változatot pedig arra fejlesztenek, hogy rakétákon és űreszközökön közvetlenül a kozmikus sugarakat is mérhesse.

Az oktatás közben továbbra is fontos maradt. Egyetemi és középiskolai hallgatók maguk is összeállíthatják a detektorokat, majd saját kísérleteket végezhetnek velük. Egy delaware-i doktorandusz például hőmérséklet- és nyomásérzékelőkkel egészítette ki saját készülékét, amely egy magaslégköri ballon fedélzetén mintegy 30 kilométeres magasságba jutott. A mérések megmutatták, hogyan változik a kozmikus sugarak intenzitása a magassággal.

Axani szerint az eddig elkészült CosmicWatch detektorok száma már több ezer lehet. A kutató hosszabb távon egy világméretű „civil tudományos” hálózatot szeretne létrehozni, amelyben az emberek különböző pontokon mérnék a müonok mennyiségét, az adatokat pedig központilag gyűjtenék össze. Így egyetlen olcsó kis eszközökből álló hálózat segítségével a Föld körüli kozmikus részecskeaktivitásról is átfogóbb kép rajzolódhatna ki.