Bilim İnsanları Masanızın Üstüne Koyabileceğiniz Kozmik Işın Dedektörü Geliştirdi
Cep boyutunda bir parçacık dedektörü, kozmik ışın fiziğini sınıflardan büyük deneylere kadar erişilebilir hale getiriyor.
Derin uzaydan gelen parçacıklar şu anda çevrenizdeki dünyadan geçiyor. Ses, tat, koku veya his bırakmıyorlar, ancak doğru dedektörle, gelişleri tek tek sayılabilir.
Bu parçacıklar, güneş sisteminin çok ötesindeki patlayan yıldızlar ve diğer aşırı astrofiziksel olaylar tarafından üretilebilen enerjik parçacıklar olan kozmik ışınlarla başlar. Kozmik ışınlar Dünya atmosferinin yükseklerindeki atomlara çarptığında, ikincil parçacıklar oluşturan bir zincirleme reaksiyonu başlatırlar. Önemli bir sonuç, atmosferden geçebilen ve hatta yerin altına ulaşabilen küçük bir parçacık olan müondur.
Delaware Üniversitesi fizik profesörü Spencer Axani, bu görünmez parçacık yağmurunu sınıflara ve araştırma laboratuvarlarına getirmenin bir yolunu geliştirdi. Buluşu olan CosmicWatch, hem deneyimli bilim insanları hem de lise öğrencileri tarafından kullanılabilen kompakt bir müon dedektörüdür.
Cihaz yaklaşık bir kutu hayvan bisküvisi büyüklüğünde ve yaklaşık 100 dolarlık elektronik parçayla monte edilebiliyor. Bir müon geçtiğinde, CosmicWatch ışık saçıyor, olayı kaydediyor ve verileri daha sonra analiz için saklıyor.
Fizik ve Astronomi Bölümü’nde yardımcı doçent olan Spencer Axani, uzaydan kaynaklanan görünmez parçacıklar olan müonları izleyen taşınabilir, düşük maliyetli bir parçacık dedektörü olan CosmicWatch’un mucididir. Bu parçacıklar, bilim insanlarının evrenin en uç olayları hakkında daha fazla bilgi edinmelerine yardımcı olur. (Fotoğraf: Jeffrey C. Chase)
CosmicWatch, ilk olarak öğrencileri parçacık fiziğine tanıtmanın uygun fiyatlı bir yolu olarak tasarlandı. O zamandan beri, küçük boyutu ve düşük maliyeti sayesinde geleneksel ekipmanlarla ulaşılması daha zor olan yerlerde ölçümler yapmayı mümkün kılan uluslararası astrofizik deneylerinde ikinci bir hayat buldu.
Axani, “CosmicWatch dedektörleri, çok daha düşük maliyetle, kompakt ve taşınabilir bir biçimde çok daha fazla fizik yapmamıza olanak tanıyarak birçok yeni deney türüne ve tanıtım fırsatına kapı açıyor” dedi.
Bir dedektörün doğuşu
Müonlar önemlidir çünkü onları oluşturan kozmik ışınlar hakkında ipuçları taşırlar. Fizikçiler, müonları ölçerek orijinal kozmik ışının enerjisini, kütlesini ve yönünü çıkarabilirler; bu da süpernovalar, gama ışını patlamaları ve blazarlar gibi güçlü nesneleri ve olayları incelemelerine yardımcı olur. Müon akışı ayrıca, 1940’ların başlarında Einstein’ın özel görelilik teorisinin en erken deneysel doğrulamalarından birini sağlamaya da yardımcı oldu.
Kullanımları uzayla sınırlı değildir. Müonlar, duvarlar, kayalar ve insan dokusu gibi maddelerden hasara neden olmadan geçebildikleri için, aksi takdirde incelenmesi zor olan büyük yapıların içine bakmak için kullanılabilirler. 2016 yılında, müon teknolojisi Giza Büyük Piramidi’nin içindeki bilinmeyen bir koridoru ortaya çıkarmaya yardımcı oldu.
En büyük zorluk her zaman erişim olmuştur. Birçok müon dedektörü büyük, pahalı ve taşınması zor olduğundan, hem sınıf içi kullanımını hem de denenebilecek deneylerin kapsamını sınırlamaktadır.
“Tipik bir lisans fizik laboratuvar dersinde, müonları ölçmek için küçük bir kitaplık büyüklüğünde bir elektronik düzenek kullanılır,” dedi Axani.
Axani, MIT’de yüksek lisans öğrencisiyken 2017 yılında CosmicWatch’ı yarattı. Başlangıçta amacı pratikti: Antarktika’daki IceCube gözlemevi için küçük, düşük güç tüketimli bir müon dedektörü inşa etmek. IceCube, başka bir tür atom altı parçacık olan nötrinoları inceleyen, buzun altına gömülü devasa bir dedektördür. Bir müon dedektörü, IceCube bilim insanlarının arka plan parçacıklarını tespit etmeye çalıştıkları nötrinolardan ayırmalarına yardımcı olur.
Axani, aynı tasarımın bir eğitim aracı haline gelebileceğini fark ettiğinde proje yön değiştirdi. Taşınabilir, ucuz bir dedektör, öğrencilerin özel elektroniklerle dolu bir laboratuvara ihtiyaç duymadan gerçek parçacık fiziği verilerini işlemelerine olanak sağlayabilirdi.
2022’de UD fakültesine katıldıktan sonra Axani, cihazı geliştirmeye devam etti ve yakın zamanda üçüncü versiyonunu piyasaya sürdü. Journal of Instrumentation dergisinde Ekim ayında yayınlanan bir makalede açıklanan geliştirmeler, CosmicWatch’ın yerel ortamını izlemesine, yüksek radyasyon seviyelerine dayanmasına ve verileri daha hızlı toplamasına olanak tanıyor.
Shams’ın deneyinde kullanılan balonun patladığı anın bir fotoğrafı. CosmicWatch’ı fırlatma noktasından kilometrelerce uzakta buldu ve verileri kullanarak uzaydan gelen kozmik ışınların akısının irtifaya göre nasıl değiştiğini gösterdi. (Fotoğraf: Evan Krape ve Musarate Shams’ın izniyle)
“Kozmik ışınları incelemiş olsam da, bu dedektörlerin dünyayı ve atmosferik parçacık üretimini ‘görmek’ için nasıl çalıştığının ardındaki zengin fiziği tam olarak anlamamıştım,” diyor Axani’nin laboratuvarında doktora öğrencisi ve dergi makalesinin baş yazarı Masooma Sarfraz. “Teorik fikirler üzerinde çalışan benim gibi bir öğrenci için bu, deneysel tarafa dalmak için mükemmel bir fırsattı. Ayrıca, parçacık fiziğiyle ilgili mevcut daha geniş araştırma çalışmalarımla da güzel bir şekilde bağlantı kuruyor.”
En yeni CosmicWatch, büyük ölçekli dedektörlerin kalibrasyonu için kullanışlıdır ve şu anda UD’deki NuDot deneyinde ve New Mexico, Los Alamos’taki Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) karanlık madde dedektöründe kullanılmaktadır. Roketler ve uzay araçlarında birincil kozmik ışınları ölçmek için başka bir versiyonu geliştirilmektedir.
Bilim uygulamada
CosmicWatch, Axani’nin öğrencileri parçacık, nükleer ve astrofizikle tanıştırmak için kullandığı UD’de bir eğitim aracı olmaya devam etmektedir. Öğrenciler dedektörleri kendileri inşa eder, yüksek hızlı elektroniklerin nasıl çalıştığını öğrenir ve ardından tasarladıkları deneyleri yürütmek için cihazları kullanırlar.
Kuantum bilim ve mühendisliği programında doktora öğrencisi olan Musarate Shams, CosmicWatch cihazına sıcaklık ve basınç sensörleri ekleyerek onu geliştirdi. Amacı, Dünya’nın üst atmosferindeki kozmik ışınları incelemekti.
Mayıs ayında Shams, cihazı uzayın sınırına yakın, 100.000 feet yüksekliğe çıkan bir yüksek irtifa balonuna gönderdi. Verileri inceledikten sonra, uzaydan gelen kozmik ışınların akışının irtifa ile nasıl değiştiğini gösterebildi.
“Yüzlerce ışık yılı uzaktan gelen bu harika parçacıkları tespit edebilen bir şeyi laboratuvarda birkaç günde inşa etmek çok harika bir şey,” dedi.
CosmicWatch, UD’nin ötesinde sınıflara da ulaşıyor. Cornell Üniversitesi’nde Fizik Doçenti olan Natasha Holmes, giriş fizik derslerindeki öğrencilerine dedektörleri inşa ettiriyor ve deneylerde kullanıyor. Holmes’a göre, değer sadece öğrencilerin bir kavram öğrenmesi değil, aynı zamanda deneysel fizikçiler gibi daha fazla çalışmalarıdır.
Doktora öğrencisi Musarate Shams, Dünya’nın üst atmosferindeki kozmik ışınları araştıran bir deneyde kendi yaptığı CosmicWatch dedektörünü kullandı. Dedektör, Dünya’dan 100.000 feet yüksekliğe çıkan bir yüksek irtifa balonuna bağlıydı. (Fotoğraf: Evan Krape ve Musarate Shams’ın izniyle)
“Öğrenciler, parçacık fizikçilerinin ve deneysel fizikçilerin gerçekte yaptığına daha çok benzeyen bu şeyi yapmaktan gerçekten heyecan duyuyor gibi görünüyorlar,” dedi. “Bununla biraz kodlama öğreniyorlar ve bazen cihazları bozuyorlar, sonra da onlara ekipmanlarına dikkat etmeleri konusunda uyarıda bulunmamız gerekiyor. Tipik bir fizik laboratuvarından çok farklı. Öğrenciler, kullandıktan sonra ‘gerçek bilim’ yaptıklarını söylüyorlar.”
Dünya çapında fizik
Axani, ilk sürümün sekiz yıl önce piyasaya sürülmesinden bu yana binlerce CosmicWatch dedektörünün üretildiğini tahmin ediyor. Bu sayının, dünyanın dört bir yanındaki insanların yerel müon oranlarını ölçtüğü ve verilerini çevrimiçi olarak paylaşılan bir siteye gönderdiği küresel bir vatandaş bilim ağına dönüşebileceğini umuyor.
Ayrıca, uydu gruplarının çevrelerine tepki vermelerine yardımcı olabilecek ilgili bir dedektör de geliştiriyor. Örneğin, dedektörler uyduları güneş patlamaları konusunda uyarabilir ve gerektiğinde güçlerini azaltmalarına olanak tanıyabilir.
Proje, bir eğitim ve bilinçlendirme çalışması olarak başladı, ancak o zamandan beri araştırma, kalibrasyon çalışmaları ve olası uzay uygulamalarına doğru evrildi.
Axani, “Eğitim programı olarak başlamış olsa da, fiziğin birçok farklı alanında kullanım alanı buldu,” dedi. “Gerçekten harika.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Kuantum bilgisayarları bekleyen tehlike: Kozmik ışınlar tamamen işlevsiz bırakabilir