Kosmické záření a astročásticová fyzika Jan Řídký Fyzikální ústav AV ČR Obsah •Kosmické záření a současná fyzika. •Historie pozorování kosmického záření. •Současné znalosti o kosmickém záření. •Jak jej pozorujeme ? •Odkud přichází ? •Co to je ? •Observatoř Pierra Augera. •1. Co je temná hmota ? •2. Co je podstatou temné energie ? •3. Jaké byly počátky vesmíru ? •4. Řekl Einstein o gravitaci poslední slovo ? •5. Jaká je hmotnost neutrin a jak se podílela na • vývoji vesmíru ? •6. Jak pracují kosmické urychlovače a co urychlují ? •7. Jsou protony stabilní ? •8. Existují nové stavy hmoty s velmi vysokou hustotou • a energií ? •9. Existují další časoprostorové dimenze ? •10. Jak vznikaly prvky od železa po uran ? •11. Je pro nejvyšší energie potřebná nová teorie • hmoty ? •1. Co je temná hmota ? •2. Co je podstatou temné energie ? •3. Jaké byly počátky vesmíru ? •4. Řekl Einstein o gravitaci poslední slovo ? •5. Jaká je hmotnost neutrin a jak se podílela na • vývoji vesmíru ? •6. Jak pracují kosmické urychlovače a co urychlují ? •7. Jsou protony stabilní ? •8. Existují nové stavy hmoty s velmi vysokou hustotou • a energií ? •9. Existují další časoprostorové dimenze ? •10. Jak vznikaly prvky od železa po uran ? •11. Je pro nejvyšší energie potřebná nová teorie • hmoty ? Historie: objev kosmického záření \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\Hess.300dpi.jpg 1912 Viktor Hess objevuje „pronikavé záření” z vesmíru. Výstupy v balónu uskutečnil v Ústí nad Labem v roce 1936 za to získal Nobelovu cenu C:\Dokumenty\hess.jpg Historie: objev spršek kosmického záření 1938 Pierre Auger objevuje rozsáhlé spršky kosmického záření v atmosféře. Měření uskutečnil v Alpách v nadmořské výšce okolo 3 000 m.n.m. \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\Pierre Auger.300dpi.jpg color_ray_shower_bright Vývoj spršky kosmického záření 1. interakce ve výšce kolo 30 km počet sekundárních částic je úměrný energii primární částice Intenzita kosmického záření •na povrch Země (ve výšce okolo 0 m.n.m.) dopadá ~ 180 částic m-2 s-1 –jsou to převážně miony –ve výšce 4 500 metrů nad mořem dopadá ~ 2,5 x více částic •záření je izotropní - přichází z vesmíru ze všech směrů se stejnou intenzitou Energie, složení a původ kosmického záření •E < 1010 eV . . . převážně p, He ze Slunce (protony > 90 %) • •1010 eV < E < 1017 eV . . . p, . . , Fe záření galaktického původu, složení se mění v závislosti na energii • •1017 eV < E . . . záření patrně extragalaktického původu, složení p ?, ??? Spektrum kosmického záření Energie (eV) C:\Dokumenty\Tok_KZ.jpg Konec spektra energií kosmického záření bergman_HRAGASA.pdf 00060358 MacWilczekHD B55C1F8B: Kosmické „paprsky” s nejvyšší energií •za 40 let detekce kosmického záření ~ 20 případů s energií > 1020 eV •1991 - detektor „Muší oko” (Fly’s Eye) v Utahu . . . . 3,2 x 1020 eV •1993 - detektor AGASA v Akeno (Japonsko) . . . . 2 x 1020 eV Rekordní případy : 50 Joulů! Ultra High Energy Cosmic Ray - UHECR Detekce UHECR eas-tst • •Pozemní detektory –4neomezená pozorovací doba –¢ vidí pouze čelo spršky – •Fluorescenční detektory –4vidí celou spršku … tedy i její průběh –¢ pouze bezměsíčné jasné noci Vliv magnetických polí C:\Dokumenty\galaxy.jpg ~ 2-3 micro gauss Lehké částice s vysokou energií (~ 1020 eV) : •jenom málo se odchylují •musí mít původ mimo galaxii Šíření částic s velmi vysokou energií mez Greisena - Kuzmina - Zatsepina částice s energií > 5 * 1019 eV pocházejí ze vzdálenosti <~ 50 Mpc pro protony s energií Ep > 5 * 1019 eV interakce e+, e- s kosmickým reliktním zářením a produkce gama záření C:\Dokumenty\1127_xray_opt_overlay.jpg Zdroje kosmického záření vysokých energií •Pouze modelové představy • •modely tvoří dvě skupiny –modely typu „bottom-up” . . . předpokládají postupné urychlování částic na vyšší energie různými astro-fyzikálními mechanizmy –modely typu „top-down ” . . . . předpokládají, že pozorované částice vznikají rozpadem objektů s velkou hmotností - část této hmoty se přemění na kinetickou energii dceřinných částic Temná hmota - možný zdroj UHECR C:\Dokumenty\Andromeda.jpg Možné kosmické urychlovače černé díry C:\Dokumenty\sthole.jpg laskavostí Joe Bergerona © www.joebergeron.com Možné kosmické urychlovače - kresba jádra AGN Možné kosmické urychlovače 3c296_nrao radiogalaxie 3C296 (AUI, NRAO). --trysky dosahují za hostitelskou galaxii Možné kosmické urychlovače srážky galaxií C:\Dokumenty\Col2Gal.jpg Možné kosmické urychlovače srážky galaxií C:\Dokumenty\Centaurus.jpg Možnosti kosmických urychlovačů Kosmické záhady odkud pochází kosmické záření s nejvyšší energií není zřejmý žádný urychlovací proces, který by vysvětlil energie > 1020 eV zdroj musí být < 50 Mpc kvůli vlivu KMP kosmické záření nejvyšších energií by mělo mířit k možným zdrojům Odpovědi hledá projekt Auger Projekt „Pierre Auger“ ~ 50 ústavů, > 250 fyziků Argentina Itálie Arménie Mexiko Austrálie Polsko Bolívie Slovinsko Brazílie Španělsko Česká republika Velká Británie Francie USA Německo Vietnam C:\auser\aFZU\AUGER\Aoutreach\ZEMEKOULE_new.TIF Observatoř Pierra Augera Hybridní detektor kombinované přednosti povrchového detektoru a fluorescenčního detektoru • 2 nezávislá měření - vzájemná kalibrace • přesnější měření energie a úhlů • určení typu primární částice auger_sites Observatoř Pierra Augera Jižní polokoule: Malargüe, provincie Mendoza, Argentina Severní polokoule: Millard County, Utah, USA 1. jih výstavba od roku 2000 Jih: - dosud žádná data - je vidět jádro galaxie Observatoř Pierra Augera \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\map_of_argentina.jpg Site_map.gif 00000365Drive #2 B2CB70C2: 1 600 detektorů 3 000 km2 1.5 km rozteč Observatoř Pierra Augera - SD C:\Dokumenty\det_mtn.jpg Observatoř Pierra Augera - SD SD = Surface Detector . . . povrchový detektor komunikační anténa GPS anténa bílý difúzní potah 12 m3 destilované vody plastový tank schránka na akumulátory tři 8” fotonásobiče solární panel a schránka s elektronikou Observatoř Pierra Augera - SD časový sled signálů è úhel dopadu spršky hustota částic è energie spršky počet mionů, tvar signálu è odhad hmoty primární částice Observatoř Pierra Augera - FD FD = fluorescenční detektor \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\Teleskop_Bay_4.jpg C:\Dokumenty\FDside.tif zrcadlo: R = 3440 mm plocha: 3,6 x 3,6 m2 Observatoř Pierra Augera - FD \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\Teleskop_Bay_4.jpg diafragma filtr 300 - 400 nm zrcadlo bezpečnostní záclona kamera - 20 x 22 fotonásobičů 2,6” FDcam2_2OCT.jpg 00000365Drive #2 B2CB70C2: kar20 Observatoř Pierra Augera - FD KLAGES VI.pict 00002B20 Paul Mantsch B2CB70BF: \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\May_01_photos\LL from tower.jpg kar4 optic1 Observatoř Pierra Augera - FD C:\Dokumenty\stereo.tif FD dohlédne 20 - 25 km kalibrace laserem, monitorování atmosféry, . . . stereo „snímky” - přesné určení směru Observatoř Pierra Augera - komunikace \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\April_01_photos\April01photos\cows.jpg \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Jan_photos\Fluo4.jpg Centrální stanice Observatoř Pierra Augera - komunikace \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Jan_photos\Fluo4.jpg \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\COIHUECO MANTSCH III.jpg Centrální stanice Observatoř Pierra Augera dnes V roce 2001 probíhalo testování prototypu. Fungovala zmenšená verze celé aparatury: • 30 vodních nádrží • 2 teleskopy SD i FD registrovaly každý zvlášť značné množství případů SD & FD dohromady …. ~ 60 hybridních případů Získané zkušenosti vedly ke změnám detektorů. Observatoř Pierra Augera dnes \\Tdserver1\Project\Auger\Management\TDR\0_intro\draft1\augerarray-cronin-de-mi-bitmapfile.jpg Auger Campus pole prototypů 1020 eV sprška Prototyp v roce 2001 30 tanků 2 teleskopy Observatoř Pierra Augera dnes C:\Documents and Settings\mantsch\My Documents\Photos\west-crop-ea.jpg Los Leones Malargüe Observatoř Pierra Augera dnes \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\June_01_photos\fd_shower_zoom.jpg Observatoř Pierra Augera dnes \\Tdserver1\Users\hq\mantsch\Power Point Presentations\new-11-fold.gif Observatoř Pierra Augera dnes \\Tdserver1\Users\hq\mantsch\Power Point Presentations\ev0336_0236.gif \\Tdserver1\Users\hq\mantsch\Power Point Presentations\ev336dev.jpg Observatoř Pierra Augera „zítra” V roce 2003 by mělo být instalováno: • > 100 vodních nádrží • > 4 teleskopy FD ve 2 pozorovatelnách è stereo případy Observatoř Pierra Augera „zítra” \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\Dcp_1588.jpg Observatoř Pierra Augera „zítra” C:\Profifoto\Vsemfota\lesteni.JPG C:\Profifoto\Vsemfota\zrcPREHLIDKA1.JPG Výroba zrcadel v SLO Olomouc C:\Profifoto\Vsemfota\ronchiVsem.JPG Observatoř Pierra Augera „zítra” \\Tdserver1\Project\Auger\Photos\Good photos\paul_scan_doc1R.jpg Plocha detektoru bude srovnatelná s detektorem AGASA ~ 100 km2