Smetana, která prozkoumá kosmické částice

Je asi jasné, že v nadpisu článku jsme použili drobný jazykový vtípek. Řeč bude o přístroji CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass), což je anglický výraz pro krém, nebo též smetanu. Právě tento přístroj je hlavním nákladem lodi Dragon, která by měla dnes večer našeho času vyrazit k Mezinárodní vesmírné stanici. Jde o detektor energetických částic, jehož úkolem bude studovat ty nejenergetičtější částice, které k nám přichází ze vzdálených končin vesmíru. Jejich energie vysoce přesahuje úroveň, kterou zvládají současné částicové urychlovače na Zemi. Právě tyto částice s ultravysokou energií v sobě mohou ukrývat informace o složení vesmíru.

Graf četnosti energetických částic - vědce zajímají především oblasti označované jako koleno (Knee) a kotník (Ankle).

Graf četnosti energetických částic – vědce zajímají především oblasti označované jako koleno (Knee) a kotník (Ankle).
Zdroj: http://spaceflight101.com

CREAM by měl odpovědět na otázku starou už skoro celé století – kde berou tyto částice tak neskutečně vysokou energii (více než 1 petaelektronvolt!) a jak tyto procesy souvisí se složením vesmíru? CREAM zvládne měřit částice s vysokou energií přesněji než další astrofyzikální přístroj, který je už na ISS přítomen – AMS2. Mohl by kromě jiného prozradit, proč graf částice v energetickém spektru zažívá v oblastech okolo tisíce bilionů elektronvoltů pokles, ačkoliv podle částicové teorie k tomu není žádný důvod.

Využití přístroje CREAM bude velmi pestré – od hledání odpovědí na původ kosmického záření, přes studování vlivu supernov na kosmické energetické spektrum až po nahlédnutí do historie rozložení energetických částic v naší galaxii. Pokud bychom mohli nějak definovat hlavní cíl, pak jde o „rozšíření energetického dosahu pro přímá pozorování až na nejvyšší možnou úroveň, aby bylo možné prozkoumat původ, urychlení a šíření těchto částic“.

Sběr takových údajů ale není snadný – částice s extrémně vysokou energií, které vědce zajímají nelétají často a navíc se nachází hodně daleko od sebe. Pro jejich studium je proto potřeba ohromný detektor, nebo dlouhá expozice. Teprve pak je možné nasbírat statisticky relevantní data. Abychom ale nemluvili jen obecně, pojďme se podívat na konkrétní čísla. CREAM by měl prozkoumat spektrum kosmického záření v rozsahu 1010 až 1015 elektronvoltů pro všechny prvky od vodíku po železo. Inženýři proto vytvořili soubor detektorů, které prozkoumají náboj částic, jejich energii a vztah mezi hadrony a elektrony, čímž vznikne dodatečné měření elektronového spektra až do úrovně 100 gigaelektronvoltů.

CREAM pro měření pod balónem.

CREAM pro měření pod balónem.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Za posledních sto let udělal výzkum v oblasti mechanismů vysokých energií velký pokrok. To, co začínalo na výškových balónech se dnes přetransformovalo ve špičkovou techniku, která míří na ISS. Ačkoliv se stále zvyšoval energetický rozsah detektorů, současné přístroje nemohly poskytnout definitivní odpověď na otázky, které zajímají vědce na celém světě. Do projektu CREAM jsou proto zapojení specialisté ze Spojených států, Jižní Korey, Mexika a Francie.

Jeho přístrojové vybavení absolvovalo dohromady 161 dní zkoušek během šesti letů na vysokoatmosférických balónech vypuštěných u jižního pólu mezi roky 2004 až 2010. U pólů jsou linie magnetického pole téměř vertikální se Zemí a umožňují přímé měření kosmického záření. ISS je ale ještě lepším místem. Umožňuje totiž dlouho expoziční měření vysokoenergetických částí s nízkou frekvencí výskytu. Technici proto přístroje upravili tak, aby mohly fungovat ve vesmíru, takže přístroj bude moci být umístěn na vnější plošině japonského modlu Kibó.

Schéma přístroje CREAM pro ISS.

Schéma přístroje CREAM pro ISS.
Zdroj: http://spaceflight101.com

CREAM pro ISS váží slušných 1258 kilogramů a měří 185 × 50 × 100 centimetrů. V jeho útrobách se nachází několik různých detektorů uložených ve vrstvách. Právě díky nim bude CREAM produkovat měření vysokých energií s vysokou kvalitou. Čtyři vrstvy křemíkových detektorů se postarají o měření náboje, uhlíkové vrstvy vybudí hadronové interakce a wolframový kalorimetr určí energii částice a její směr. Scinitilátor s přídavkem boru zajistí oddělení elektronů a protonů od neutronů, následují počítací detektory.

Detektory přístroje CREAM

Detektory přístroje CREAM
Zdroj: http://spaceflight101.com

Příchozí částice jako první zasáhne detektor SCD (Silicon Charge Detector), což je jemně segmentovaný vrstevnatý detektor pro přesné měření náboje daných částic. Celkem se v jeho útrobách nachází čtyři vrstvy o tloušťce 380 mikrometrů s plochou jednoho pixelu 2,12 centimetrů čtverečních. Vzniká tak efektivní detektorová plocha 81,8 × 81,8 centimetrů.

Společně s nezbytnou elektronikou váží SCD 143 kilogramů a zabírá prostor 81,8 × 81,8 × 16,6 centimetrů. Právě SCD se nachází nad všemi ostatními detektory CREAMu. Každá vrstva ukrývá 2688 pixelů, protože jsou vrstvy čtyři, je k dispozici celkem 10 752 kanálů. Samotné detektory jsou tvořené křemíkovými diodami, které mají tloušťku 525 mikrometrů. Jeden senzor je tvořen 16 pixely, které jsou připojené k ohebnému obvodu pro čtení dat.

Silicon Charge Detector (SCD)

Silicon Charge Detector (SCD)
Zdroj: http://spaceflight101.com

Po průchodu skrz přesné detektory náboje projde částice výše zmíněnou uhlíkovou vrstvou pro vybuzení hadronových interakcí. Jinými slovy dojde k vytvoření subatomárních spršek, které mohou zachytit a změřit další detektory. Pod uhlíkovou vrstvou najdeme systém TCD/BCD (Top Counting Detectors/Bottom Counting Detectors), tedy detektory počítající, které jsou párové. Jejich úkolem je rozdělit elektrony od protonů v rozmezí 300 – 800 gigaelektronvoltů.

Bottom Counting Detector

Bottom Counting Detector
Zdroj:

Právě rozdělení na elektrony a protony je pro celý přístroj CREAM prakticky nejdůležitějším úkolem. Vše totiž komplikuje fakt, že vysokoenergetické protony jsou mnohem častější než elektrony se stejnou energií. Špatná identifikace částice tak může výrazně zkreslit výsledky měření. TCD má rozměry 90,1 × 55,1 × 3 cm a váží 9,6 kg. BCD je trochu větší s rozměry 95 × 65 × 3,3 cm a váží 15,6 kg. Každý detektor je vybaven plastickým scintilátorem EJ-200 a mřížkou 20 × 20 křemíkových fotodiod. TCD disponuje aktivní sběrnou plochou 50 × 50 cm, zatímco BCD (na obrázku vpravo vedle tohoto odstavce) má k dispozici plochu 60 × 60 cm.

TCD a BCD

TCD a BCD
Zdroj: http://spaceflight101.com

Krystaly scinitilátoru mají schopnost pohltit energetické částice a vyzářit jejich energii ve viditelné formě. Toto záření zachytí zařízení násobící světlo, které díky fotoelektrickému jevu převede fotony ve viditelném spektru na elektrony. Pak už jen stačí měřit vygenerovaný proud pod elektrodami detektoru. Fotodiody měří 2,3 × 2,3 cm, přičemž jsou silné jen 650 mikrometrů. Jejich kvantová efektivita je 75% pro vlnové délky 400 – 450 nanometrů. TCD a BCD mezi sebou ukrývají další přístroj, kterým je kalorimetr.

Kalorimetr CREAMu

Kalorimetr CREAMu
Zdroj: http://spaceflight101.com

Pokud bychom měli nějaký díl označit jako srdce přístroje CREAM, byl by to jeho kalorimetr s wolframovým scintilátorem. Právě on bude primárně měřit energii přicházejících částic, sledovat jejich směr a zaznamenávat další vlastnosti. Jedná se o typ kalorimetru, který poskytuje velké množství výstupních kanálů a jemné snímkování. Jedná se o významný pokrok oproti tradičním kalorimetrům, které jsou vybavené velkými krystaly, napojenými na jediný výstup.

Uvnitř tohoto kalorimetru bychom našli 20 střídajících se vrstev wolframu a pásky ze scintilačního materiálu. Wolframové vrstvy fungují jako pohlcovače, zatímco scintilační vrstvy zajišťují směrové měření dráhy částice. Kromě toho vypočítají i energii částice – stačí jen změřit, jak hluboko pronikla. Wolframové desky mají rozměr 50 × 50 centimetrů a jejich tloušťka je 3,5 mm. U scintilačních vrstev je to složitější – tvoří je 51 pásek širokých 1 centimetr a devatenáct pásek o šířce půl milimetru. Tyto stuhy jsou kladeny střídavě podle os X a Y, což umožní trojrozměrnou rekonstrukci dráhy částice. Každá páska scintilátoru je připojena ke světlovodu k hybridní fotodiodě. Zde jsou světelné signály převedeny na elektrony opět pomocí fotoelektrického efektu.

Princip fungování kalorimetru v přístroji CREAM.

Princip fungování kalorimetru v přístroji CREAM.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Další součástí přístroje CREAM je zařízení BSD (Boronated Scintillator Detector), které má detekovat aktivitu spršky termálních neutronů. Ta může být použita jako další metoda pro oddělení elektronů a hadronů. Spršky indukované hadronem mají tendenci být doprovázeny podstatně vyšší neutronovou aktivitou než elektromagnetické spršky. Rozdíl je v jednom řádu, což se dá snadno rozlišit neutronovým detektorem. BSD tvoří plastový scintilátor obohacený 5% boru spojený s 18 trubicemi násobícími světlo. Tento přístroj využívá výše popsané dělení na elektrony a protony, které zajišťuje TCD/BCD. BSD však toto dělení ještě rozšiřuje a stará se tak o zpřesnění statistických modelů, což zvyšuje důvěru v údaje generované CREAMem.

Prototyp BSD (Boronated Scintillator Detector)

Prototyp BSD (Boronated Scintillator Detector)
Zdroj: http://spaceflight101.com

Tento scintilátor má rozměry 60 × 60 × 3,8 cm a může být vybuzen procházejícími částicemi, čímž vzniká alfa částice, lithium a gamma paprsky. Ty jsou převedeny na pulsy viditelného světla – každý neutron zachycený v detektoru vytvoří až 570 fotonů. Výpočty přitom ukazují, že by zachycení aktivity mělo dojít zhruba 400 nanosekund poté, co spršku zachytí výše popsaný kalorimetr. Fotodiody pro BSD jsou citlivé na vlnové délky 300 – 650 nanometrů, přičemž nejúčinnější jsou v okolí vlnové délky 425 nanometrů.

CREAM potřebuje k chodu 120 W pro udržování vhodného prostředí a při vlastním pozorování si řekne o 580 W. Přístroj je navíc vybaven chladícím okruhem, jehož čerpadlo za hodinu přečerpá 200 kilogramů média. To má za úkol udržovat teplotu v rozmezí 16 – 24°C. O odesílání naměřených údajů a příjem pokynů se postará sama ISS, se kterou bude přístroj CREAM spojen řadou konektorů včetně ethernetových kabelů.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/
https://spaceflightnow.com/

Zdroje obrázků:
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream16.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream18.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream2.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream7.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream6.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream13.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/IMG_8840.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream11.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream3.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream19.jpg
http://spaceflight101.com/dragon-spx12/wp-content/uploads/sites/172/2017/07/cream24.jpg

Smetana, která prozkoumá kosmické částice, 5.0 out of 5 based on 18 ratings
Pin It
(Visited 1 689 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (18 votes cast)
(Visited 1 689 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


6 komentářů ke článku “Smetana, která prozkoumá kosmické částice”

  1. Kamil napsal:

    Jak se přístroj dostane na své místo? Jen pomocí robotické paže nebo bude nutný výstup kosmonautů?

  2. Zdařilé zmenšení detektorů a kalorimetru. Pro další zkoušky může být prospěšné zjistit možnosti transmutace vybraných radionuklidů vlivem kosmického záření a následné výstupy- přeměny jader a jiné reakce.

  3. ptpc napsal:

    Vynikajúci článok!

Zanechte komentář