Вы не можете их увидеть, услышать или почувствовать, но крошечные частицы из космоса постоянно "падают" на Землю. Они возникают из космических лучей — высокоэнергичных частиц, которые приходят от взрывающихся звёзд и других экстремальных событий далеко за пределами Солнечной системы.
Что такое мюоны и почему они важны
Когда космические лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, запускается каскад вторичных частиц. Среди них — мюоны: они способны проходить сквозь атмосферу и частично проникать в землю. По мюонам учёные могут косвенно судить об энергии, массе и направлении исходной частицы космического луча, пишет phys.org.
CosmicWatch: детектор в "карманном" формате
Физик Университета Делавэра Спенсер Акзани создал CosmicWatch — портативный детектор мюонов размером примерно с небольшую коробку. Он собирается из электронных компонентов стоимостью около $100, "считает" мюоны, когда те проходят через детектор, и сохраняет данные для последующей выгрузки и анализа.
От учебного прибора — к реальной науке
Изначально CosmicWatch задумывался как недорогой образовательный инструмент для знакомства школьников и студентов с физикой частиц. Но устройство оказалось полезным и в международных научных проектах: компактность и цена позволяют проводить больше экспериментов при существенно меньших затратах.
Как появился проект: от Антарктиды до массового использования
Акзани начал работу над CosmicWatch в 2017 году, когда учился в MIT. Первоначальная идея — сделать маленький и энергоэффективный мюонный детектор для обсерватории IceCube в Антарктиде, чтобы отличать мюоны от нейтрино. Позже проект "перерос" в программу научного просвещения: стало ясно, что такой прибор можно использовать намного шире.
Новая версия: быстрее, "умнее", устойчивее
После того как Акзани перешёл в Университет Делавэра (в 2022 году), он продолжил развивать устройство и выпустил третью версию. Улучшения позволяют:
- быстрее собирать данные,
- отслеживать параметры окружающей среды,
- работать при повышенной радиационной нагрузке.
Где это применяют сейчас
Помимо учебных лабораторий, CosmicWatch используют для калибровки более крупных установок. Устройство задействовано, в частности, в эксперименте NuDot (в Университете Делавэра) и в детекторе тёмной материи Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) в Лос-Аламосе (США). Параллельно разрабатывается версия для измерений первичных космических лучей на ракетах и космических аппаратах.
"Наука в действии": как учатся студенты
В Университете Делавэра студенты собирают CosmicWatch с нуля, осваивая высокоскоростную электронику, а затем проводят собственные эксперименты. Например, один из аспирантов добавил датчики температуры и давления и отправил детектор на высотном аэростате на высоту около 100 000 футов — почти у границы космоса — чтобы измерить, как меняется поток космических частиц с высотой.
Идея на будущее: "гражданская сеть" детекторов по всему миру
По оценке Акзани, за восемь лет были собраны тысячи детекторов CosmicWatch. В перспективе он хотел бы превратить это в глобальный "citizen science"-проект: чтобы люди по всему миру измеряли мюонный фон в своих точках и передавали данные в единый онлайн-центр.