Český vedec pomáha určiť, z čoho sa skladá kozmické žiarenie. Prilietajúce častice sú zrejme ťažšie, než sme si mysleli.
Keď kozmické lúče dopadnú na zemskú atmosféru, vytvoria spŕšku ďalších častíc, ktoré možno pozorovať pomocou detektorov na Zemi (farebné bodky). Zdroj: Metropolitná univerzita v Osake/L-INSIGHT, Kjótska univerzita/Ryuunosuke Takeshige
Častice kozmického žiarenia s najvyššími energiami prenikajú do atmosféry pravdepodobne oveľa hlbšie, než sa doteraz predpokladalo. Prilietajúce častice budú teda zrejme aj výrazne ťažšie. Nové a zásadné poznatky vyplývajú z metódy, ktorá zovšeobecňuje prístup k predpovediam modelov zrážok vesmírnych častíc so zemskou atmosférou. Správnosť metódy českého vedca Jakuba Víchu potvrdili stovky medzinárodných vedcov z Observatória Pierra Augera.
Poslovia najextrémnejších procesov vo vesmíre
Vysokoenergetické kozmické žiarenie je prúd nabitých častíc prichádzajúci z vesmíru. Časť z nich pochádza zo Slnka, časť z našej Galaxie a tie najvzácnejšie, poslovia najextrémnejších procesov vo vesmíre, ako ich nazýva astročasticový fyzik Jakub Vícha, prilietajú dokonca až z iných galaxií.
To, odkiaľ primárna častica priletela, kým spustila spŕšku sekundárnych častíc, akú mala energiu a čo to vlastne bolo za časticu, sa vedci snažia odvodiť zo signálov spôsobených sekundárnymi časticami spŕšky v detektoroch, ktoré sú umiestnené na povrchu Zeme. Tým najlepším súčasným detektorom na svete je Observatórium Pierra Augera v Argentíne, na ktorého výstavbe, prevádzke a analýze nameraných dát sa podieľajú aj vedci z Českej republiky.
Čo je časticová spŕška?
Keď častica s ultravysokou energiou prilieta a narazí do molekúl pozemskej atmosféry, začnú sa z týchto zrážok produkovať sekundárne častice. Tie letia v tom istom smere ako pôvodná častica a ďalej sa zrážajú s jadrami molekúl vzduchu. To sa opakuje mnoho ráz a počet sekundárnych častíc lavínovito rastie. Vzniká takzvaná časticová spŕška. Na veľkú plochu povrchu Zeme dopadá veľké množstvo častíc tejto spŕšky.
Vysokoenergetické kozmické žiarenie. Zdroj: A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret
Jedna z najväčších záhad vesmíru
Unikátna metóda vedca posúva vedu o krôčik bližšie k odhaleniu jednej z najväčších záhad fyziky. Aký je pôvod častíc z vesmíru, ktoré bombardujú vzdušný obal planéty Zem? „Predovšetkým pri časticiach s najvyššou energiou stále nevieme, čo by mohli byť zdroje najextrémnejších procesov vo vesmíre, vďaka ktorým vznikajú,“ vysvetlil Jakub Vícha z Fyzikálneho ústavu Akadémie vied Českej republiky (AV ČR).
Zloženie týchto častíc sa odhaduje iba nepriamo, na základe meraní sekundárnych častíc, ktoré vznikajú kaskádovito po zrážke primárnej kozmickej častice s jadrom v atmosfére. Niektoré z týchto sekundárnych častíc, napríklad mióny, pritom dopadajú až na Zem. Medzi pozorovaním a modelovými predpoveďami množstva dopadajúcich miónov doteraz panoval veľký nesúlad.
Pozrite si
Prenikajú hlbšie do atmosféry, než sme si mysleli
Medzinárodný tím vedcov využil unikátne dáta z merania Observatória Pierra Augera a jedinečné metódy Jakuba Víchu týkajúce sa zovšeobecneného prístupu k predpovediam modelov hadronických interakcií, ktoré prebiehajú v spŕškach.
„Naša interpretácia meraní poukázala na to, že spŕšky častíc ultravysokých energií pravdepodobne prenikajú oveľa hlbšie do atmosféry, než sme si mysleli,“ uviedol Jakub Vícha. „Zároveň sa ukazuje, že zloženie kozmického žiarenia, ktoré sa najčastejšie určuje práve podľa spomínanej prenikavosti spŕšok, môže byť aj výrazne ťažšie, než sa bežne uvažovalo, a môže teda obsahovať viac ťažších jadier,“ dodal vedec.
Čím prevratnejšia myšlienka, tým väčší odpor
Revolučná metóda Jakuba Víchu výrazne spresnila opis nameraných dát. Zároveň po prvý raz jednoznačne preukázala neschopnosť predchádzajúcich modelov opísať namerané dáta spoľahlivo. V jej dôsledku teraz astročasticoví fyzici zrejme prehodnotia výsledky doterajších publikovaných prác o zložení kozmického žiarenia ultravysokých energií.
Vo vedeckej komunite najprv nový postup narazil na nedôveru a odpor. Metódu českého vedca overovali stovky astročasticových fyzikov z Observatória Pierra Augera na celkovo 2 239 spŕškach častíc, detegovaných fluorescenčným a povrchovým detektorom s energiami medzi 3 a 10 EeV (exa elektrónvoltmi). Po šiestich rokoch od prvej prezentácie výsledky publikoval časopis Physical Review D.
„Bolo obdobie, keď som cítil veľkú depriváciu, že moja metóda nie je prijatá, ale nebol som schopný prísť na to, čo robím zle. Bol som presvedčený, že je všetko tak, ako má byť, a nikto vlastne nenašiel nejakú chybu v mojom postupe,“ zdôraznil Jakub Vícha.
Metódu naďalej presadzoval aj s podporou niektorých najuznávanejších kolegov. „Hovorili mi: Čím revolučnejší výsledok, tým väčší odpor vyvolá, chce to čas,“ dodal astročasticový fyzik a nositeľ prémie Lumina quaeruntur za rok 2023.
Jakub Vícha na odovzdávaní prémie Lumina quaeruntur. Zdroj: FZU AV ČR
Extrapolácia do vyšších energií so sebou prináša veľké systematické chyby
Pri interpretácii dát kozmického žiarenia ultravysokých energií sa výskumníci spoliehajú na predpovede modelov hadronických interakcií, ktoré však neopisujú namerané vlastnosti spŕšok dostatočne spoľahlivo. Tieto modely boli vytvorené na základe poznatkov z hadrónových urýchľovačov, ako je napríklad LHC v CERN-e neďaleko Ženevy, ale najenergetickejšie kozmické častice presahujú dokonca hodnoty 100 EeV, čo výrazne prevyšuje možnosti skúmania pozemských urýchľovačov.
Vlastnosti hadronických interakcií sa teda musia v modeloch extrapolovať na mnoho rádov vyššej energie, čo vnáša významnú systematickú neistotu do interpretácií merania kozmického žiarenia. Teraz sa ukazuje, že modely potrebujú byť spresnené oveľa komplexnejšie než len generovaním väčšieho množstva miónov, čo je už samo osebe dosť problematické.
V kozmickom žiarení ultravysokých energií sa teda zrejme objavuje viac ťažších častíc, ako sú napríklad jadrá železa, čo má zásadný vplyv na hľadanie ich zdrojov na najvyšších energiách. Čím majú častice väčší náboj, tým viac sa zakrivujú v magnetickom poli našej Galaxie, a tým je ich smer príletu viac vzdialený od smeru ich zdroja na oblohe.
„Príroda je jednoducho oveľa komplikovanejšia, než by sme chceli, a sťažuje tak našu snahu konečne odkryť, odkiaľ k nám tieto častice prilietajú. Avšak postupne zužujeme priestor možností a raz sa azda dočkáme objavu, ako a kde tieto najextrémnejšie procesy vo vesmíre prebiehajú,“ zakončil Jakub Vícha.
(JM)
