CosmicWatch: портативний детектор мюонів, що бачить космос крізь стіни

Мюони виникають, коли космічні промені — надзвичайно енергійні частинки з далеких зірок і високоенергетичних процесів у Всесвіті — врізаються в атоми верхніх шарів атмосфери. Це породжує каскади вторинних частинок. Самі мюони нестабільні, але рухаються так швидко, що значна їхня частина встигає досягти поверхні Землі та проникає далі — крізь будівлі, каміння й ґрунт. Людське тіло для них не є серйозною перешкодою, тож потік цих частинок проходить крізь нас постійно, хоч ми його не відчуваємо.

Для фізиків мюони цінні тим, що несуть інформацію про початкові космічні промені. За властивостями цих частинок можна оцінювати енергію, масу та напрямок частинок, які спричинили каскад в атмосфері. Здатність мюонів проникати крізь матеріали знайшла і практичне застосування: вимірюючи, скільки частинок проходить крізь різні ділянки споруди, дослідники можуть вивчати внутрішню структуру великих об'єктів, не розбираючи їх. Таку мюонну візуалізацію застосовували, зокрема, для дослідження Великої піраміди в Гізі — метод дозволяє виявляти приховані порожнини.

Пристрій CosmicWatch розробив фізик Спенсер Аксані. Першу версію він створив у 2017 році, навчаючись в аспірантурі Массачусетського технологічного інституту. Детектор фіксує проходження мюона та зберігає дані про кожну таку подію, які згодом можна завантажити й проаналізувати. Спочатку розробка була пов'язана з роботою для обсерваторії IceCube в Антарктиді: цей комплекс шукає нейтрино, а реєстрація мюонів допомагає відрізняти потрібні сигнали від фонових. Згодом з'ясувалося, що компактний пристрій корисний далеко за межами одного експерименту.

«Детектори CosmicWatch дозволяють нам виконувати набагато більше фізичних досліджень у компактному та портативному вигляді, відкриваючи двері для багатьох нових видів експериментів та можливостей для охоплення аудиторії», — сказав Спенсер Аксані.

Нові версії CosmicWatch здатні швидше збирати дані, стежити за умовами навколишнього середовища та працювати за високих рівнів радіації. Їх використовують студенти, викладачі та професійні дослідники, зокрема у фізичних експериментах, пов'язаних із дослідженням елементарних частинок і темної матерії. Один із пристроїв піднімали на висотній повітряній кулі приблизно на 30 кілометрів над Землею — це дало змогу простежити, як потік космічних частинок змінюється з висотою.

Дослідники розглядають і можливість застосування подібних систем на ракетах та космічних апаратах. У перспективі мережа таких детекторів могла б стежити за змінами космічного середовища й допомагати вивчати потоки частинок навколо Землі.