Этот детектор размером с ладонь может изменить физику: что такое CosmicWatch и как он работает

Вы не можете их увидеть, услышать или почувствовать, но крошечные частицы из космоса постоянно "падают" на Землю. Они возникают из космических лучей — высокоэнергичных частиц, которые приходят от взрывающихся звёзд и других экстремальных событий далеко за пределами Солнечной системы.

Фото: Designed by Freepik by freepik, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Планета в космосе

Что такое мюоны и почему они важны

Когда космические лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, запускается каскад вторичных частиц. Среди них — мюоны: они способны проходить сквозь атмосферу и частично проникать в землю. По мюонам учёные могут косвенно судить об энергии, массе и направлении исходной частицы космического луча, пишет phys.org.

CosmicWatch: детектор в "карманном" формате

Физик Университета Делавэра Спенсер Акзани создал CosmicWatch — портативный детектор мюонов размером примерно с небольшую коробку. Он собирается из электронных компонентов стоимостью около $100, "считает" мюоны, когда те проходят через детектор, и сохраняет данные для последующей выгрузки и анализа.

От учебного прибора — к реальной науке

Изначально CosmicWatch задумывался как недорогой образовательный инструмент для знакомства школьников и студентов с физикой частиц. Но устройство оказалось полезным и в международных научных проектах: компактность и цена позволяют проводить больше экспериментов при существенно меньших затратах.

Как появился проект: от Антарктиды до массового использования

Акзани начал работу над CosmicWatch в 2017 году, когда учился в MIT. Первоначальная идея — сделать маленький и энергоэффективный мюонный детектор для обсерватории IceCube в Антарктиде, чтобы отличать мюоны от нейтрино. Позже проект "перерос" в программу научного просвещения: стало ясно, что такой прибор можно использовать намного шире.

Новая версия: быстрее, "умнее", устойчивее

После того как Акзани перешёл в Университет Делавэра (в 2022 году), он продолжил развивать устройство и выпустил третью версию. Улучшения позволяют:

• быстрее собирать данные,

• отслеживать параметры окружающей среды,

• работать при повышенной радиационной нагрузке.

Где это применяют сейчас

Помимо учебных лабораторий, CosmicWatch используют для калибровки более крупных установок. Устройство задействовано, в частности, в эксперименте NuDot (в Университете Делавэра) и в детекторе тёмной материи Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) в Лос-Аламосе (США). Параллельно разрабатывается версия для измерений первичных космических лучей на ракетах и космических аппаратах.

"Наука в действии": как учатся студенты

В Университете Делавэра студенты собирают CosmicWatch с нуля, осваивая высокоскоростную электронику, а затем проводят собственные эксперименты. Например, один из аспирантов добавил датчики температуры и давления и отправил детектор на высотном аэростате на высоту около 100 000 футов — почти у границы космоса — чтобы измерить, как меняется поток космических частиц с высотой.

Идея на будущее: "гражданская сеть" детекторов по всему миру

По оценке Акзани, за восемь лет были собраны тысячи детекторов CosmicWatch. В перспективе он хотел бы превратить это в глобальный "citizen science"-проект: чтобы люди по всему миру измеряли мюонный фон в своих точках и передавали данные в единый онлайн-центр.