Космос в форме для печенья. Как физик построил детектор частиц стоимостью всего 100 долларов

Устройство улавливает мюоны из атмосферных каскадов и подходит даже для школьных лабораторий.

Космические частицы проходят через атмосферу Земли каждый день и обычно улавливаются огромными и дорогими машинами. Но физик из Университета штата Делавэр Спенсер Аксани придумал способ сделать эту охоту почти карманной: его детектор CosmicWatch умещается в руке и фактически позволяет заниматься «космической физикой» не только в больших лабораториях, но и в школьных кружках.

Источники этих частиц лежат далеко за пределами Земли. Космические лучи высокой энергии рождаются в результате самых экстремальных событий во Вселенной, таких как гамма-всплески и взрывы сверхновых. Когда эти лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, образуется каскад вторичных частиц. CosmicWatch занимается одним из них – мюонами.Каждый раз, когда мюон проходит через устройство, он излучает световой сигнал и записывает событие.

Главное в этой истории не только миниатюрность, но и цена. По данным университета Устройство собрано из электронных компонентов стоимостью около 100 долларов.. Размер самого детектора можно сравнить с небольшой коробкой печенья. Это редкий случай, когда наука делает входной билет в «частичную» физику настолько доступным.

Аксани изначально задумывал CosmicWatch как недорогой инструмент для обучения. Однако портативный формат неожиданно сделал его полезным для реальных международных экспериментов в области астрофизики. По мнению автора, такие детекторы позволяют проводить гораздо больше измерений при гораздо меньших затратах, а их компактность и портативность открывают новые типы экспериментов и форматы популяризации науки.

Мюоны интересны не только как след космических катастроф. Поскольку эти частицы способны проходить сквозь твердые объекты практически не отклоняясь, на Земле их также используют для «подсветки» скрытых структур. Один известный пример относится к 2016 году: с помощью мюонной визуализации ученые обнаружили ранее неизвестный коридор в Великой пирамиде Гизы.

Обычно мюонные детекторы выглядят совсем по-другому. Это большие и дорогие системы, поэтому они почти всегда остаются в университетах и ​​исследовательских центрах. Аксани отметил в университетском выпуске, что в типичной учебной лаборатории для таких измерений используется стойка для электроники размером с небольшую книжную полку.

Проект начался в 2017 году, когда Аксани был аспирантом Массачусетского технологического института и хотел создать небольшой и маломощный мюонный детектор для обсерватории IceCube в Антарктиде. Когда стало ясно, что устройство можно сделать очень дешево, идея переросла в образовательную инициативу. Переехав в Университет штата Делавэр в 2022 году, он продолжил совершенствовать устройство и недавно представил третью версию вместе с статьей с подробным описанием обновлений в журнал Journal of Instrumentation. Сообщается, что новая версия быстрее собирает данные, может отслеживать параметры окружающей среды и выдерживать высокий уровень радиации.

Наиболее амбициозное направление сейчас связано с измерением не вторичных, а первичных космических лучей. Разработка адаптирована для установки на ракеты и космические корабли. Аксани говорит, что с момента начала проекта уже были собраны тысячи таких детекторов, и он надеется, что они станут основой глобальной «гражданской науки», которая поможет лучше понять, что происходит в самых суровых уголках космоса.