sbornнk z konference

Veletrh nápadů učitelů fyziky 10
Projekt detekce kosmického záření a střední školy v ČR
PETR BENEŠ, STANISLAV POSPÍŠIL, KAREL SMOLEK, IVAN ŠTEKL
České vysoké učení technické v Praze - Ústav technické a experimentální fyziky
Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze realizuje unikátní projekt
detekce vysokoenergetických spršek kosmického záření, který bude mít vedle vědeckého též pedagogický dopad. Cílem projektu je vybudovat síť detekčních stanic, které
budou převážně umísťovány na vybraných středních školách v ČR. Podobné projekty
běží i v dalších zemích EU, v Kanadě, USA a Japonsku. Naměřená data ze stanic v
ČR i zahraničí budou studována z hlediska nejrůznějších časových i prostorových
korelací a také u nás budou studenti středních škol zapojeni do projektu. Projekt tak
bude využit pro zatraktivnění a zkvalitnění výuky na středních školách.
Proč je kosmické záření tak zajímavé
Původ a šíření vysokoenergetických částic kosmického záření patří k fundamentálním
problémům současné částicové astrofyziky s mnoha dosud nezodpovězenými otázkami. Tato problematika má pro svoji atraktivnost též potenciál v oblasti popularizační a pedagogické.
Ukazuje se, že energetické spektrum částic kosmického záření vykazuje v některých
oblastech odchylky od teoreticky předpovězeného tvaru. V oblasti spektra s energií
větší než asi 1015 eV, která se označuje jako „knee“, je tok částic z neznámých příčin
větší, než odpovídá modelům vzniku kosmického záření. Další oblast, která vykazuje
odchylky od teoreticky spočtených hodnot, je oblast ultravysokých energií. Ze současných modelů interakce částic vyplývá, že protony (ale i např. fotony a těžká jádra)
kosmického záření s energií větší než ~1019 eV (tzv. GZK cut-off) silně interagují s
reliktními fotony a na relativně krátké vzdálenosti (asi 50 Mpc) tak ztrácejí svou kinetickou energii. Uvnitř naší Galaxie ani v jejím okolí však nevíme o žádném zdroji
částic s tak extrémně vysokou energií, proto by četnost pozorování částic kosmického
záření s energií větší než ~1019 eV měla být extrémně nízká a s rostoucí energií by
měla velice rychle klesat. Pozemní experimenty detekce částic kosmického záření
však ukazují rozpor – byly zaregistrovány i částice kosmického záření s energiemi
většími než 1020 eV. Mechanismus vzniku těchto ultraenergetických částic je dosud
nevysvětlen (mikroskopické černé díry, gama výtrysky, topologické defekty vesmíru
jako např. kosmické struny, anihilace temné hmoty ve vesmíru,…?).
Jak se kosmické záření zkoumá
K výzkumu částic kosmického záření s velmi vysokými energiemi a nízkými toky se
používají pozemní detektory, které registrují sekundární spršky částic vzniklé při interakci částice kosmického záření s atomy atmosféry Země. Z důvodu malé četnosti
těchto událostí (méně než jedna událost na km2 za rok pro energie větší než 1019 eV)
je nutné budovat poměrně rozsáhlé pozemní systémy detektorů.
1
Veletrh nápadů učitelů fyziky 10
Klasické experimenty, jako např. Auger, jsou tvořeny hustší sítí mnoha detektorů na
menší ploše (detektory ve vzájemné vzdálenosti několika set až řádově 1 000 metrů
na ploše až ~1 000 km2). Ty jsou schopny registrovat jednotlivé izolované události
vletu ultraenergetické částice kosmického záření a zjistit směr letu primární částice,
která způsobila detekovanou spršku. Z naměřených vlastností spršky sekundárních
částic lze i usuzovat na některé vlastnosti primární částice (např. energie). Uvedený
typ experimentu je specializován na kosmické záření s vyšší energií (sekundární
sprška částic musí zasáhnout několik sousedních vzdálených detektorů), má poměrně
malý plošný rozsah detekce spršek a proto neumožňuje zkoumat časové a prostorové
koincidence mezi vzdálenými sprškami a sledovat dané místo oblohy po delší časový
interval. Ke studiu spršek kosmického záření jsou proto budovány i rozsáhlé systémy
pozemních detektorů, které řídce pokrývají kontinent či větší část Země.
Projekt CZELTA
Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze realizuje unikátní projekt
detekce vysokoenergetických spršek kosmického záření, který bude mít vedle vědeckého též pedagogický dopad. Cílem projektu je vybudovat relativně řídkou síť detekčních stanic, které budou převážně umísťovány na střechách vybraných středních
škol na celém území ČR. Tento projekt, nazvaný CZELTA (CZEch Large-area Time
coincidence Array), je realizován ve spolupráci s University of Alberta, která v Kanadě vybudovala síť detekčních stanic ALTA (Alberta Large-area Time coincidence
Array).
Pro potřeby projektu CZELTA bylo zvoleno optimální řešení z hlediska ceny a výkonu. Jednu detekční stanici tvoří tři scintilační detektory o rozměru 60 cm x 60 cm
umístěné v trojúhelníku se stranou 10 m. Ke každému ze scintilátorů je připojen fotonásobič, který registruje fotony vzniklé při průchodu částic spršky scintilátorem.
Všechny tři detektory pracují v koincidenčním módu – zaznamenávány jsou pouze
události, kdy sprška sekundárních částic zasáhne najednou všechny tři detektory. To
odpovídá energii primární částice >1014 eV. Z rozdílu časů detekce spršky mezi jednotlivými dvojicemi detektorů lze určit směr příchodu spršky a tím i směr příletu
primární částice. Pro určení času detekce (s přesností ~ 10 ns) se používá družicový
GPS systém. To umožňuje, aby data získaná ze stanice mohla být zpracována z hlediska koincidence i s dalšími stanicemi v síti. Aparatura je řízena pomocí PC a je připojena na internet. V budoucnu budou data shromažďována centrálně v ÚTEF a
přístup k nim bude umožněn všem účastníkům projektu prostřednictvím internetu.
Podobné projekty běží i v dalších zemích. Ve spolupráci Kanada-USA byla vytvořena
síť NALTA (North America Large-scale Time coincidence Array), která zastřešuje
jednotlivé lokální sítě v Kanadě a USA (ALTA, SALTA, WALTA, CHICOS
CROP,…). Podobný projekt běží též v Japonsku (LAAS) a pozorovací stanice vznikají i na střechách středních škol v Evropě – ve Švédsku (SEASA), v Německu (SkyView), v Nizozemí (HiSparc), ve Velké Británii (Cosmic Schools) a v dalších zemích. V rámci zmíněných projektů jsou pro umístění detektorů využívány většinou
střechy vybraných středních škol a o chod těchto stanic se ve spolupráci s pracovníky
univerzity starají zájemci z řad studentů a pedagogů. Zapojení studenti se tak atrak2
Veletrh nápadů učitelů fyziky 10
tivní formou seznamují s aktuálním stavem poznání v oblasti astrofyziky a fyziky
částic, učí se aplikovat nejrůznější poznatky z matematiky, fyziky a informatiky při
řešení jednodušších úloh týkajících se zpracování naměřených dat a prakticky se seznámí s moderní detekční technikou užívanou pro detekci ionizujících částic. Pro studenty z různých škol zapojených do projektu jsou též pořádána společná setkání a
studentské konference, kde účastníci projektu prezentují dosažené výsledky a předávají si zkušenosti. Projekt má tedy kromě vědeckého též značný pedagogický dopad.
Ve spolupráci s univerzitou v Albertě chceme „teleskop“ detekující spršky kosmického záření rozšířit i na naše území. Pracovníci ÚTEF ČVUT a University of Alberta
nainstalovali v roce 2004 v Praze první stanici pro detekci kosmického záření v budově ÚTEF a spustili tak projekt CZELTA. V létě 2005 byla v ČR zprovozněna stanice v budově Přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě a do konce roku
2005 bude nainstalována stanice v budově gymnázia v Pardubicích. V současné době
již proběhla jednání s dalšími středními školami v Praze i mimo Prahu o jejich budoucím zapojení do projektu.
Podobně jako u obdobných projektů v zahraničí se počítá i u nás se zapojením studentů vybraných škol do obsluhy detekčních stanic a ve spolupráci s ÚTEF ČVUT,
Slezskou univerzitou v Opavě, případně s dalšími vysokými školami v ČR a s partnery v zahraničí i do další odborné činnosti v rámci projektu. Studenti budou mít možnost se aktivně podílet na projektu (jednodušší analýza dat, kontrola činnosti
stanice,…), formou námi pořádaných seminářů se seznámí s aktuálními problémy
řešenými v oblasti částicové fyziky a astrofyziky, seznámí se se základy detekční
techniky, matematických metod a informačních technologií používaných při zpracování dat (C++, ROOT,…). Budou pořádána (mezinárodní) studentská setkání, studenti si tak zlepší schopnost komunikace a prezentace (v cizím jazyce). Spolupráce
středních a vysokých škol v rámci tohoto projektu přispěje též k celoživotnímu vzdělávání středoškolských pedagogů. Zapojením do skutečného projektu řešícího fundamentální problémy současné fyziky se tak pro studenty zatraktivní oblast přírodních a
technických věd a celkově se zkvalitní výuka na spolupracujících středních školách.
Obr. 1. Budova ÚTEF ČVUT se třemi venkovními kryty obsahujícími detektorové
části systému.
3
Veletrh nápadů učitelů fyziky 10
Obr. 2. Jeden ze scintilačních detektorů umístěný uvnitř venkovního krytu.
Obr. 3. Zařízení sloužící ke zpracování a záznamu signálů ze scintilačních detektorů a
systému GPS.
4