News

W Katedrze Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Łódzkiego, kierowanej przez prof. Marię Giller, prowadzone są badania z zakresu astrofizyki wysokich energii, tzn. dotyczące procesów fizycznych zachodzących w Kosmosie, w których powstają i oddziałują cząstki elementarne o wysokich energiach. Są to energie znacznie większe niż te, do których przyśpiesza się protony w najnowszych akceleratorach (do ok. jednej dziesięciomilionowej dżula na jeden proton).

Procesy te zachodzą w obiektach kosmicznych takich jak gwiazdy (Słońce, układy gwiazd), obiekty egzotyczne (białe karły, gwiazdy neutronowe czyli pulsary, magnetary), czy obiekty wybuchające (supernowe, błyski promieniowania gamma, aktywne jądra galaktyk). Warunki panujące w tych obiektach i ich otoczeniu nie mogą być odtworzone sztucznie na Ziemi. Dlatego tylko poprzez obserwacje tych zjawisk i procesów możliwe jest badanie materii w skrajnych warunkach, tj. przy bardzo dużych gęstościach i ciśnieniach, w bardzo wysokich temperaturach czy super-silnych polach magnetycznych i grawitacyjnych.
Poznanie własności materii znajdującej się w skrajnych warunkach w odległych obiektach kosmicznych następuje pośrednio poprzez obserwację docierającego do Ziemi promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal oraz cząstek naładowanych (jąder różnych pierwiastków, elektronów), czyli promieni kosmicznych. Obserwacje tych cząstek wymagają stosowania kosztownych urządzeń, wykorzystujących najnowsze technologie i dlatego często konstruowanych przez duże międzynarodowe zespoły badawcze, dysponujące odpowiednimi środkami finansowymi.
W związku z tym, że wgląd w procesy zachodzące w obiektach kosmicznych nie może być bezpośredni, często używaną metodą badawczą są komputerowe symulacje procesów fizycznych i ich porównanie z obserwacjami. Naukowcy Katedry Fizyki Doświadczalnej UŁ mają dużą praktykę w wykorzystaniu tych technik badawczych i dlatego są również poszukiwanymi pracownikami firm wykorzystujących technologie informatyczne.

Nowe obserwatorium

Katedra Fizyki Doświadczalnej UŁ bierze obecnie udział w dwóch wielkich, międzynarodowych eksperymentach: Obserwatorium Pierre Auger oraz MAGIC.
Celem budowanego obecnie Obserwatorium Auger jest zbadanie czym są i skąd pochodzą promienie kosmiczne o najwyższych energiach. Obserwatorium to składać się będzie z dwóch gigantycznych kompleksów detektorów – jeden na półkuli południowej, drugi na północnej, a więc tak, aby móc obserwować całe niebo. Obecnie na ukończeniu jest stacja południowa, mieszcząca się na argentyńskim płaskowyżu tuż pod Andami.
Cząstka promieni kosmicznych o najwyższych energiach, wchodząc w atmosferę ziemską i zderzając się z jej cząsteczkami, wywołuje lawinę cząstek wtórnych, czyli tzw. wielki pęk atmosferyczny, który docierając do powierzchni Ziemi pokrywa znaczny obszar, rzędu nawet kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych. Jednak strumień promieni kosmicznych maleje gwałtownie wraz z energią cząstki pierwotnej. Dlatego też potrzebne jest pokrycie detektorami cząstek wtórnych znacznej powierzchni, tak aby zwiększyć szansę na ich efektywną detekcję. Powierzchnia, na której znajdzie się 1600 detektorów cząstek (każdy to wielki pojemnik z wodą, patrz mapka i zdjęcie pod nią) w Obserwatorium Auger ma 3000 km2. Atmosfera nad tymi detektorami będzie obserwowana przez cztery stacje detektorów optycznych (teleskopów), rejestrujących słabe błyski od wielkich pęków atmosferycznych, tzw. światło fluorescencyjne. Użycie dwóch różnych rodzajów detektorów (wodnych pojemników i teleskopów) do rejestracji wielkich pęków zapewni znakomitą dokładność w wyznaczeniu energii i kierunków przychodzenia cząstek promieni kosmicznych, jak również umożliwi wzajemną kalibrację tych dwóch typów detektorów.

Oczekiwanie na wielkie pęki

Z racji znacznych kosztów przedsięwzięcia i skali eksperymentu, we współpracy biorą udział jednostki badawcze z ponad 20 krajów świata. Katedra Fizyki Doświadczalnej uczestniczy w projektowaniu i konstruowaniu elektroniki detektorów i ich oprogramowania. Dużą rolę odegrał tu dr Zbigniew Szadkowski, którego nowe opracowania metod rejestracji wielkich pęków (tzw. trigera) zostały zastosowane w eksperymencie. Grupa naukowców pod bezpośrednim kierunkiem prof. Marii Giller opracowuje metody tzw. rekonstrukcji danych doświadczalnych, czyli wyznaczania energii i kierunku przyjścia cząstek wytwarzających wielkie pęki atmosferyczne, na podstawie ich zmierzonych obrazów w świetle fluorescencyjnym. Ponadto pracownicy katedry biorą udział w pomiarach i budowie aparatury w Argentynie.
Wstępne wyniki eksperymentu zostały już opublikowane na konferencji promieni kosmicznych w Indiach (2005). W tym roku odbyła się kolejna Międzynarodowa Konferencja Promieni Kosmicznych w Meridzie w Meksyku, gdzie na podstawie pomiarów największej do tej pory liczby zarejestrowanych cząstek o skrajnie wysokich energiach, przedstawiono rozkład ich energii oraz kierunki skąd do nas przybyły. Pomiary te pozwolą na wyciągnięcie wniosków o pochodzeniu promieni kosmicznych, ale na ostateczną odpowiedź trzeba jeszcze poczekać aż uzbiera się jeszcze większa liczba pęków.

Magiczna współpraca

Drugi eksperyment, w którym biorą udział pracownicy Katedry Fizyki Doświadczalnej UŁ, to wspomniana wyżej Współpraca MAGIC. Została ona ustanowiona przez naukowców z kilku krajów europejskich (Niemcy, Włochy, Hiszpania, Szwajcaria, Finlandia, Polska, Bułgaria) w celu obserwacji promieniowania gamma ze źródeł kosmicznych, w których dominują procesy wysokich energii. Na Wyspach Kanaryjskich (La Palma) został zbudowany teleskop optyczny o największej na świecie średnicy - 17 m. Rejestruje on tzw. światło Czerenkowa wysyłane przez kaskady elektronów i pozytronów, wytwarzane w atmosferze ziemskiej przez pojedyncze kwanty gamma, przychodzące z Kosmosu. Ponieważ kwanty te nie niosą ładunku elektrycznego, to kierunek ich ruchu nie ulega zmianom w trakcie przelotu przez pola magnetyczne w naszej Galaktyce lub też poza nią. Tak więc kierunek, skąd kwanty te przychodzą, wskazuje na źródło ich powstawania, a powstają one zwykle wskutek oddziaływań protonów lub elektronów z otoczeniem. Odkryto już kilkanaście źródeł promieniowania gamma, większość w naszej Galaktyce, ale kilka również spoza niej. Uzyskane wyniki dostarczają informacji o procesach przyśpieszania cząstek do wysokich energii w tych obiektach (sporą ich część stanowią pozostałości po wybuchach supernowych).
Pracownicy katedry biorą bezpośredni udział w obserwacjach przy pomocy teleskopu MAGIC, przygotowują programy obserwacyjne oraz dokonują ich teoretycznej interpretacji pod kierunkiem dr. hab. Włodzimierza Bednarka. Wyniki uzyskane w pierwszym roku pracy teleskopu zostały zawarte w kilkunastu pracach opublikowanych w wiodącym czasopiśmie astrofizycznym The Astrophysical Journal i już uzyskały ponad 100 cytowań.
Obecnie Współpraca MAGIC buduje drugi teleskop, który wraz z istniejącym znacznie poszerzy jego możliwości obserwacyjne. Przełomowe wyniki uzyskane przez teleskop MAGIC (oraz podobne urządzenie na półkuli południowej – Współpraca HESS), sprawiły że państwa Unii Europejskiej podjęły decyzję o budowie w nadchodzących latach systemu kilkudziesięciu teleskopów tego typu (Współpraca Cherenkov Telescope Array – CTA). W tym przedsięwzięciu zespół Katedry Fizyki Doświadczalnej zamierza także uczestniczyć.
Stanisław Bąkowicz