これらの粒子の多くは、星の爆発や太陽系外のその他の暴力的な出来事によって生成される可能性のある非常にエネルギーの高い粒子である宇宙線に関連しています。宇宙線が地球の大気中の高層原子に衝突すると、二次粒子のシャワーが生成されます。その中には、大気中を通過し、さらには地下に潜ることができるミュオンも存在します。

デラウェア大学物理学教授のスペンサー・アクサニ氏は、と呼ばれる装置を開発しました。 コズミックウォッチ これにより、これらの目に見えない粒子を検出することがはるかに簡単になります。このテクノロジーは現在、高校生からプロの研究者に至るまで、あらゆる人々によって使用されています。

目に見えない宇宙粒子を検出する100ドルの検出器

CosmicWatch はペット用クラッカーの箱ほどの大きさです。この検出器は約100ドルの電子部品でできており、ミュー粒子が通過するとカウントを記録する。データは保存されるので、ユーザーは後でデータをダウンロードして分析できます。

この装置はもともと学生に素粒子物理学を紹介するための安価な方法として作成されました。しかしそれ以来、CosmicWatch は国際的な天体物理学研究でも役割を果たしています。

「CosmicWatch検出器を使用すると、コンパクトで持ち運び可能な形式で、はるかに低コストで物理学を行うことができ、さまざまな種類の実験や支援の機会への扉が開かれます」とアクサニ氏は述べた。

月が宇宙について何を明らかにできるか

科学者がミュー粒子を研究する理由は、超新星、ガンマ線バースト、ブレーザーなどの最も強力な宇宙現象のいくつかについての情報が得られるからです。ミュー粒子を測定することで、研究者は、エネルギー、質量、方向など、元の宇宙線の特性を計算できます。

ミュオンの流れも物理学の歴史において重要な役割を果たしました。 1940 年代初頭、これらの粒子の測定により、アインシュタインの特殊相対性理論の最初の実験的確認の 1 つが提供されました。

ミューオンは、地球上の物体を研究するのにも役立ちます。粒子は壁、岩、人などの固体物質を損傷することなく通過できます。それらは検出可能なエネルギーの痕跡を残すため、科学者はそれらを使用して、大量の物質の背後に隠された構造を画像化することができます。 2016 年、現代のテクノロジー 彼らはギザの大ピラミッドで未知の回廊を発見した。

問題は、従来のミュオン検出器は大型で高価なことが多いことです。これにより、研究者が実施できる実験や、学生にテクノロジーへの実践的なアクセスを提供できる学校の数も制限されます。

「典型的な学部の物理学実験コースでは、本棚ほどの大きさの電子機器の棚を使ってミューオンを測定します」とアクサニ氏は語った。

CosmicWatch が始まった経緯

アクサニ​​氏は、MITの大学院生だった2017年に初めてCosmicWatchを設立した。彼の当初の目標は、南極の IceCube 天文台で使用するコンパクトでエネルギー効率の高いミュオン検出器を構築することでした。

IceCube は、氷の下に埋められた巨大な検出器で、別の種類の亜原子粒子であるニュートリノを探します。ミューオン検出器は、研究者が検出したいニュートリノとミューオンを区別するのに役立つため便利です。

プロジェクトの開発中に、Axani は、同じテクノロジーを教育用に移植可能で安価に提供できることに気づきました。それ以来、CosmicWatch は素粒子物理学を教えるための支援ツールとなっています。

2022 年に UD 教員に加わった後、アクサニはデザインの改善を続けました。彼は最近、CosmicWatch の 3 番目のバージョンをリリースしました。記事の改善点 計装雑誌 10月には、新しい検出器により周囲を監視し、より高い放射線レベルに耐え、より迅速にデータを収集できるようになります。

「私は宇宙線を研究していましたが、これらの検出器が実際に世界を『見て』、大気粒子を生成する仕組みの背後にある豊かな物理学を完全には理解していませんでした」とアクサニ研究室の博士課程の学生で、この雑誌の論文の主著者であるマスマ・サーフラズ氏は述べた。 「理論的なアイデアに取り組んでいた私のような学生にとって、実験の側面に飛び込む絶好の機会でした。また、素粒子物理学に関する私の広範な研究活動にも非常によく結びついています。」

暗黒物質研究から宇宙飛行まで

最新の CosmicWatch 設計は、大規模な検出器の校正に適しています。現在、UD の NuDot 実験とニューメキシコ州ロス アラモスの CAPTAIN-Mills コヒレント ダークマター (CCM) 検出器で使用されています。

研究者たちは、ロケットや宇宙船に搭載された一次宇宙線を測定できる別のオプションも開発中です。

研究の役割が拡大しているにもかかわらず、教育は依然として CosmicWatch の重要な部分を占めています。 UD では、アクサニはこの検出器を使って素粒子、原子核、天体物理学を教えています。学生は、既製の検出器を独自の設計実験で使用する前に、デバイスを自分で組み立て、高速エレクトロニクスの実践的な経験を積みます。

量子科学工学プログラムの博士課程の学生、ムサラット・シャムズは、温度センサーと圧力センサーを追加して CosmicWatch を改造しました。彼の目標は、地球の上層大気中の宇宙線を研究することでした。

5月、探知機は高高度気球に乗って宇宙の縁に近い高度10万フィートまで飛行した。測定結果を確認した後、シャムスは宇宙からの宇宙線束が高度の上昇に伴ってどのように変化するかを示すことができました。

「数百光年離れた冷たい粒子を検出できるものをわずか数日で実験室で構築できるのは、非常に素晴らしいことだ」と彼は語った。

学生に実際の素粒子物理学を体験してもらう

CosmicWatch はデラウェア大学の外でも使用されています。コーネル大学物理学准教授のナターシャ・ホームズ氏とアン・S・バウワーズ氏は、物理学入門コースの学生たちが検出器を構築し、それを使った実験を行っています。

同氏は、テクノロジーに直接取り組むことで、学生は専門的な実験物理学に近い経験ができると述べた。

「学生たちはこの研究にとても興奮しています。これは素粒子物理学者や実験物理学者がやっていることに似ています。」と彼は言いました。 「彼らはそれでいくつかのコードを学習しますが、時には装置が壊れることもあります。その場合、私たちは装置の取り扱いに注意するように彼らに話さなければなりません。これは通常の物理学の研究室とは大きく異なります。私たちは学生たちに、これを使用した後は『本当の科学』を行っていると伝えました。」

宇宙線検出器の世界的なネットワークの可能性

Axani は、8 年前に最初のバージョンが登場して以来、数千の CosmicWatch 検出器が構築されてきたと推定しています。同氏は、世界中での「市民科学」の取り組みを通じて、最終的にはその数が大幅に増加することを期待している。

このアイデアによれば、世界のさまざまな地域の人々が局所的なミュオンレベルを測定し、その観測結果をオンラインで中央の場所に送信することができます。これらの測定を組み合わせることで、地球上の粒子活動のより広範な全体像を作成できます。

アクサニ​​はまた、衛星チームが環境の変化にインテリジェントに対応できるようにする関連検出システムも開発中です。この技術により、衛星が宇宙の状況について相互に通信できるようになる可能性がある。たとえば、太陽フレアが検出された場合、システムは近くの衛星に警告を発し、必要に応じて電源をオフにできるようにします。

低コストの教育プロジェクトとして始まったものは、現在ではアクサニが予期していなかった高度な物理学のいくつかの分野に拡大しています。

「教育プログラムとして始まったが、物理学のさまざまな分野で使用されている」とアクサニ氏は語った。 “それは素晴らしいことです。”