Poslanstvo
infrastrukturnega programa
Pierre Auger

Opredelitev vloge in ciljev infrastrukturnega programa I0-0033 P. Auger

Osnovne raziskave kozmičnih žarkov so izjemnega pomena za razumevanje razvoja vesolja kakor tudi za študij procesov v fiziki osnovnih delcev. Raziskave kozmičnih delcev so se v Sloveniji začele v letu 1995, ko so se fiziki iz Instituta Jožef Stefan v Ljubljani in Fakultete za znanosti o okolju v Novi Gorici pridružili mednarodni kolaboraciji Pierre Auger. S pionirskim delom v astronomiji kozmičnih žakov tako Slovenski raziskovalci v okviru observatorija P. Auger iščejo odgovore na nekaj najzanimivejših vprašanj moderne znanosti kot so:
  • Od kod izvirajo delci ekstremnih energij, ki zadevajo zunanje plasti zemeljske atmosfere?
  • Kateri so procesi v naravi, ki lahko privedejo do tako velikih energij?
  • Kakšnen vpogled v vesolje in njegove fundamentalne zakone nam nudijo ti delci in njihove interakcije?
Kolaboracija Pierre Auger združuje 320 znanstvenikov iz 18-ih držav. Vlada Republike Slovenije je marca leta 1999 v Mendozi, Argentina, podpisala mednarodni sporazum o organizaciji, vodenju in finansiranju observatorija P. Auger (Agreement for the Organization, Management and Funding of the Pierre Auger Observatory) in se s tem zavezala, da bo sofinansirala izgradnjo in vzdrževanje observatorija ter zagotavljala sredstva za nemoteno delo slovenskih raziskovalcev na observatoriju. Prav to je primarni namen in poslanstvo infrastrukturnega programa I0-0033 Pierre Auger. S slovenskim prispevkom k izgradnji, vzdrževanju ter delovanju observatorija v Argentini slovenskim znanstvenikom omogoča polnopravno uporabo celotne infrastrukture observatorija, ki je vredna več kot 50 milijonov EUR, ter vseh njegovih izsledkov.

Opredelitev raziskovalnih ciljev in hipotez

Že od samega odkritja kozmičnih žarkov vlada v strokovni javnosti precejšnje zanimanje za njihove lastnosti saj energije nekaterih presegajo vrednosti 1020eV (ali ~10 J), kar je za 8 velikostnih razredov več kot energija delcev pospešenih v najmodernejših pospeševalnikih. Razlog za velike raziskovalne napore vložene v to področje je vsekakor dejstvo, da ostaja njihov izvor kakor tudi mehanizem pospeševanja do današnjega dne povsem nepojasnjen. Medtem, ko je energijsko področje nad 1020eV eksperimentalno povsem nepokrito, imamo na teoretičnem področju kopico modelov, ki pa ne prinašajo konsistentnih zaključkov. Kozmični žarki so edini, ki ponujajo možnost eksperimentalnega študija osnovnih delcev z ekstremnimi energijami. O pomembnosti raziskovalnega področja priča tudi publikacija Nacionalnega raziskovalnega sveta ameriške akademije znanosti "From quarks to Cosmos: Eleven science questions for new century" (http://www.nationalacademies.org/bpa/projects/cpu/reports), ki je med sedem priporočil uvrstila tudi raziskave kozmičnih žarkov pri ekstremnih energijah in eksplicitno podprla eksperiment Pierre Auger. Kolaboracija Pierre Auger je bila ustanovljena z namenom zgraditi dva obsežna observatorija, enega na južni in drugega na severni polobli. Vsak izmed njiju naj bi po prvotnih načrtih z dvema različnima vrstama detektorjev pokrival področje večje od 3000 km2. Razlog za takšen obseg observatorijev leži v dejstvu, da je fluks kozmičnih žarkov z energijami nad 1020eV zelo majhen (nekaj delcev / km2/stoletje) ter da velikost pljuska na tleh presega 10 km, ter da potrebujemo dva observatorija, da bi lahko opazovali celotno nebo.

Južni observatorij projekta Pierre Auger v Argentini

Leta 2008 smo južni observatorij projekta Pierre Auger dokončali v načrtovanem obsegu 3000km2. Sestavljen je iz dveh tipov detektorjev. Talni Čerenkovi detektorji, pokrivajo površino 3000km2 in služijo meritvi porazdelitve nabitih delcev v pljusku na zemlji, medtem ko fluorescenčni detektorji merijo njegov razvoj v atmosferi. Razsežnost observatorija omogoča meritev okoli 10.000 pljuskov na leto z energijami nad 1019eV in okoli 10 pljuskov z energijami nad 1020eV. Observatorij Pierre Auger je edini hibridni detektor kozmičnih delcev na svetu, saj uporablja dve neodvisni metodi meritve energije in vpadne smeri. Ima tudi 10 krat večji aktivni volumen kot ostali eksperimenti. Ob trenutni geometriji je detekcijski prag na energiji postavljen na 1018 eV. Potrebno pa je poudariti, da se v okviru kolaboracije trenutno izvajamo nadgradnje, n.pr. AMIGA (Auger Muons and Infill for the Ground Array) in HEAT (High Elevation Auger Telescope), ki bodo omogočile učinkovit študij kozmičnih delcev z nižjimi energijami.

Slika 1. Observatorij Pierre Auger sestavljata dve vrsti detektorjev: 4 fluorescenčni detektorji (eden izmed njih je viden na vrhu vzpetine), ki merijo razvoj plazu sekundarnih delcev v atmosferi s pomočjo fluorescence, ter 1600 talnih detektorjev (v ospredju), ki zaznavajo delce iz plazu, ko zadenejo tla.

Raziskovalni cilji

V skladu z današnjim razumevanjem procesov v vesolju, bi kozmični žarki z energijami nad 1020eV morali prihajati iz izvorov bližjih kot 150 milijonov svetlobnih let, saj njihovo gibanje po vesolju omejujejo interakcije s prasevanjem s temperaturo 2.7 K. Iz oddaljenejšega vesolja nas torej lahko dosežejo le nevtrini, vendar pa je verjetnost, da bi interagirali v zemeljski atmosferi premajhna, da bi pojasnila relativno veliko število zaznanih visoko-energijskih delcev. V bližnjem vesolju tudi ne obstaja znan astrofizikalni objekt, ki bi lahko povzročil tovrstne pojave. Nekateri teoretični modeli zato napovedujejo obstoj novih delcev in načinov interakcije med njimi pri visokih energijah. Razumevanje tega področja bo torej lahko pripeljalo do novih odkritij v astrofiziki in fiziki delcev. Neposredni cilji projekta so:
  • meritev energije in smeri kozmičnih žarkov ter njihova identifikacija,
  • identifikacija astrofizikalnih izvorov ter mehanizmov pospeševanja,
  • opis in razumevanje fizikalnih interakcij visokoenergijskih kozmičnih žarkov (hadronske interakcije pri ekstremnih energijah),
  • iskanje novih osnovnih delcev z masami nad 1021eV,
  • opis elementarnih pojavov v naravi pri največjih energijah doslej.

Opis raziskovalnih metod

Pri interakciji z jedri v zemljini atmosferi povzročijo visokoenergijski kozmični žarki nastanek pljuska delcev dolžine 5 - 10 km in širine 2 - 6 km. Novo nastale sekundarne delce detektiramo na zemljini površini s števci Čerenkova. Fluorescenčno svetlobo, ki jo povzroči vzbujanje dušika v atmosferi pri prehodu nabitih delcev, pa merimo s pomočjo mreže fotopomnoževalk imenovane “mušje oko”. Južni observatorij kolaboracije P. Auger je bil izgrajen v bližini mesta Malargue v Argentini in pokriva površino 6000 km2. Projekt je v obdobju med 1996 in 2000 prešel obdobje razvoja na področju detektorskih tehnik, telekomunikacij, sistemov za zajem podatkov, podatkovnih baz ter sistemov za nadzor nad kvaliteto atmosfere. V letu 2000 je kolaboracija začela z graditvijo tako imenovane inženirske mreže, setavljene iz 40 detektorjev Čerenkovega sevanja ter dveh segmentov fluorescenčnega detektorja. Gradnja inženirske mreže se je nadaljevala tudi v letu 2002 in 2003. V tem obdobju je bil dokončan prvi izmed treh fluorescenčnih detektorjev na vzpetini Los Leones. Dokončana so bila tudi gradbena dela na drugem detektorju na vzpetini Morados. V letu 2005 je bil fluorescenčni detektor na Moradosu dokončan. V okviru zemeljskega detektorja so potekala dela na vzpostavitvi sistema za zajem podatkov ter instalacija dodatnih detektorjev Čerenkovega sevanja. Od leta 2004 naprej na observatoriju potekajo fizikalne meritve. V letih med 2005 in 2007 se je nadaljevala izgradnja detekcijske mreže. V letu 2008 smo zaključek izgradnje južnega observatorija obeležili z inavguracijo, ki so se je udeležili tudi predstavniki vlade Republike Slovenije.

Slika 2. Primer rekonstrukcije kozmičnega žarka, katerega plaz je bil hkrati opažen s štirimi fluorescenčnimi detektoji ter s skupino talnih detektorjev. Vsak kozmični žarek ekstremnih energij ob vpadu v atmosfero s trki z molekulami plina sproži plaz, ki vsebuje nekaj miljard sekundarnih delcev.

Observatorij je od začetka svojega delovanja izmeril lastnosti več milijonov atmosferskih plazov, vendar lahko le iz lastnosti tistih med njimi, ki so jih povzročili kozmični zarki z najvišjimi energijami, nedvoumno in z dovolj veliko natančnostjo sklepamo na izvore teh kozmičnih žarkov, ker je mogoče njihove smeri prihoda določiti na nekaj stopinj natančno in s tem sklepati, kje v vesolju so njihovi izvori. Na podlagi podatkov zajetih v letih 2006 in 2007 smo ugotovili, da izvori kozmičnih žarkov najvišjih energij niso enakomerno porazdeljeni po nebu, pač pa so izvori kozmičnih žarkov najvišjih energij v bližnjih galaksijah, za katere vemo, da v svoji sredini skrivajo aktivna galaktična jedra. Aktivno galaktično jedro je osrednji del galaksije, ki požira ogromne količine snovi iz okolice, na primer pline in galaktični prah. Pri tem prihaja do izbruhov visokoenergijskih delcev in fotonov. Znanstveniki domnevajo, da je v središču vsakega aktivnega galaktičnega jedra izjemno masivna črna luknja in da prav tam prihaja tudi do produkcije delcev ekstremno visokih energij, več deset miljonkrat višjih od tistih, ki jih lahko dosežemo v laboratorijih. Mehanizmi pospeševanja delcev v aktivnih galaktičnih jedrih ostajajo zaenkrat še nepojasnjeni.

Slika 3. Na karti neba v galaktičnih koordinatah (Aitoffova projekcija) so s črnimi krogi prikazane vpadne smeri 27 kozmičnih žarkov z najvišjimi energijami, ki jih je izmeril observatorij Pierre Auger, z rdečimi zvezdicami pa je označeno 472 bližnjih znanih aktivnih galaktičnih jeder, ki se nahajajo manj kot 245 miljonov svetlobnih let stran od Zemlje. Energija vsakega izmed prikazanih kozmičnih žarkov je večja od 57 x 10>18 eV (57 EeV). Najbližje aktivno galaktično jedro Centaurus A, oddaljeno le 14 miljonov svetlobnih let, je označeno z belo zvezdico. Vpadna smer kar dveh izmed 27 kozmičnih žarkov z najvišjimi energijami sovpada z lego te galaksije. Z modro je označen del neba, ki je viden z observatorija Pierre Auger, črtkana črta pa označuje medgalaktično ravnino, v kateri leži naša in večina bližnjih galaksij.

Izmerili smo tudi energijski spekter kozmičnih žarkov za energije nad 1018eV (objavljen v reviji Physical Review Letters) in predstavlja pomemben fizikalni izsledek mednarodne kolaboracije Pierre Auger. Opravljamo tudi rutinske analize anizotropije vpadnih smeri kozmičnih žarkov ekstremnih energij in njihove korelacije z znano porazdelitvijo snovi in astronomskih objektov v bližnjem vesolju, v zadnjem času še posebno s signalom iz centra naše galaksije. Preko analize trajektorij KŽ v širokem energijskem intervalu smo izvedli preizkuse obstoječih in začrtali obrise novih modelov magnetnega polja v naši galaksiji. Ocenili smo tudi fotonski delež v fluksu kozmičnih žarkov ter potrdili teorijo o efektu dušenja GZK, ko vesolje za delce z ekstremnimi energijami zaradi neelastičnega sipanja na fotonih kozmičnega mikrovalovnega ozadja ni več prozorno.

Opis raziskovalno razvojnega udejstvovanja v okviru infrastrukturnega centra

Observatorij Pierre Auger je velik tehnološki izziv zaradi velikosti detektorja, zahtevanega delovanja 20 let, brezžičnega prožilnega sistema in medsebojne komunikacije, ter povsem avtomatskega delovanja z nadzorom na daljavo iz domačih institucij. Fluorescenčni detektorji in sistemi za monitoriranje atmosfere so razviti povsem na novo, prav tako tudi računalniški sistem za zajem in analizo podatkov, ki je zasnovan v celoti na odprti kodi. Zaradi kompleksnosti zastavljenega problema so bile odgovornosti za posamezne naloge porazdeljene med države članice kolaboracije. Najvažnejše aktivnosti, ki potekajo v okviru slovenske skupine, in ki so podprte s strani infrastrukturnega programa, so:

Slika 4. Lidarski sistemi na observatoriju Univerze v Novi Gorici na Otlici nad Ajdovščino.

Vpetost aktivnosti infrastrukturnega programa v mednarodne raziskave

Aktivnosti Infrastrukturnega centra Observatorij Pierre Auger so usmerjene k sodelovanju v mednarodni kolaboraciji Pierre Auger. V omenjeni kolaboraciji sodeluje 16 držav z 34-imi raziskovalnimi institucijami. Udejstvovanje infrastrukturnega centra je zato izrazito mednarodno naravnano. Zaradi specifičnih področij dela centra imamo posebno dobre delovne stike s sledečimi institucijami:
  • Študij razvoja pljuskov
    Universidad Nacional de La Plata, La Plata, Argentina

  • Razvoj aparature za lasersko monitoriranje onesnaženja
    Universita di Torino, Torino, Italija
    Departamento de Física TANDAR, Buenos Aires, Argentina
    University of Colorado,Boulder, ZDA
    EARLINET reserch lidar network
    Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg, Nemčija
    University of Iowa, ZDA
    Ocean University of China, Qingdao, Kitajska
    Xi'an University of Technology, Xi'an, Kitajska

  • Razvoj prožilnih sistemov in sistemov za zajem podatkov
    Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies, Université Paris 6 (LPNHE), Francija
    Forschungszentrum Karlsruhe - Institut für Kernphysik, Karlsruhe, Nemčija
V okviru dela v mednarodni kolaboraciji Pierre Auger prihaja do česte izmenjave strokovnjakov in opreme, kar ustvarja ugodne okoliščine za izmenjavo znanja in tehnologij. Intenzivno sodelovanje z Univerzo v Torinu je omogočilo tudi donacijo dveh teleskopskih paraboličnih zrcal ter pripadajoče opreme Univerzi v Novi Gorici za potrebe lidarskega observatorija na Otlici. Fotopomnoževalke za potrebe Ramanskega lidarja je donirala Univerza v Tsukubi, Japonska.

Pomen infrastrukturnega programa za razvoj Slovenije

Enakopravno sodelovanje slovenske znanosti z znanstveniki s celega sveta pri vrhunskih mednarodnih raziskavah Sloveniji omogoča:
  • dostop do najmodernejših tehnologij s področja detekcije kozmičnih delcev, elektronike ter računalništva,
  • prenos tehnologij ter razvojnih dosežkov v domače okolje,
  • sodelovanje pri izvedbi vrhunskih raziskav ter sooblikovanje enega izmed najodmevnejših področij znanosti,
  • objavo raziskav v mednarodnih in domačih revijah ter sodelovanje na znanstvenih srečanjih,
  • vzgojo mladih raziskovalcev v mednarodno kompetitivnem vzdušju,
  • udeležbo slovenske industrije pri razvoju izdelkov visoke tehnologije.
Sodelovanje pri oblikovanju astrofizikalnega eksperimenta v fazi razvoja je ključno tako za ohranjanje stika z visoko tehnološkimi metodami, kakor tudi za izobraževanje in vzgojo mladih kadrov z visokim aplikativnim potencialom. Izjemno pomemben je tudi prenos znanstveno tehnološke metodike na dodiplomske študente, d katerega prihaja pri pedagoški aktivnosti udeleženih starejših raziskovalcev. Udeleženci programa so tudi aktivni člani Evropske mreže postaj LIDAR (EARLINET, 5. okvirni program), v okviru katere že potekajo aktivnosti za prenos tehnologije izdelave LIDAR sistemov na slovensko industrijo kakor tudi neposredna uporaba tehnike pri nadzoru globalnega transporta onesnaženja. Polnopravno sodelovanje slovenskih znanstvenikov v mednarodnih kolaboracijah utrjuje ugled slovenke znanosti ter države v celoti. K temu dodatno pripomore organizacija mednarodnih znanstvenih konferenc, šol in delovnih srečanj kolaboracije Pierre Auger.