Щомиті крізь атмосферу Землі, будівлі, ґрунт і людське тіло проходять невидимі частинки, які ми не можемо відчути. Вони утворюються високо в атмосфері внаслідок зіткнення космічних променів з атомами.

Йдеться про мюони — субатомні частинки, здатні проникати крізь значні товщі речовини. Саме завдяки цій властивості вони проходять крізь повітря, стіни, каміння та людське тіло. Науковці навчилися фіксувати цей невидимий потік за допомогою спеціальних детекторів.

Одним із таких пристроїв є CosmicWatch. Спочатку його створили як студентський проєкт, однак згодом детектор почали використовувати у наукових дослідженнях, навчанні та експериментах на великих висотах.

Звідки беруться мюони

Космічний простір наповнений високоенергетичними частинками — космічними променями. Вони можуть виникати внаслідок потужних процесів у Всесвіті, зокрема вибухів зірок та інших високоенергетичних явищ.

Коли такі частинки досягають верхніх шарів земної атмосфери та стикаються з атомами, утворюється каскад вторинних частинок. Серед них є й мюони.

Мюони нестабільні, проте рухаються з величезною швидкістю. Через це значна їхня кількість встигає досягти поверхні планети ще до розпаду.

Деякі мюони проникають ще глибше — крізь будівлі, ґрунт і гірські породи. Для них людське тіло також не є суттєвою перешкодою. Ці частинки постійно проходять крізь нас, однак людина цього не відчуває.

Для фізиків мюони є цінним джерелом інформації про космічні промені. За характеристиками мюонів можна визначати властивості частинок, які спричинили їхнє утворення, зокрема їхню енергію та напрямок руху.

Де використовують мюони

Здатність мюонів проникати крізь різні матеріали дозволяє використовувати їх для дослідження внутрішньої структури великих об’єктів без необхідності їх розбирати чи пошкоджувати.

Такий метод називають мюонною візуалізацією. Його, зокрема, застосовували для дослідження Великої піраміди в Гізі. Аналізуючи кількість частинок, які проходять через різні частини споруди, вчені можуть виявляти приховані порожнини.

Як CosmicWatch виявляє мюони

Детектор CosmicWatch розробив фізик Спенсер Аксані. Першу версію пристрою він створив у 2017 році під час навчання в аспірантурі Массачусетського технологічного інституту.

Пристрій фіксує моменти проходження мюонів і зберігає дані про кожну подію. Після цього отриману інформацію можна завантажити та проаналізувати.

Детектори CosmicWatch спочатку розробляли для досліджень, пов’язаних з обсерваторією IceCube в Антарктиді. Цей науковий комплекс займається пошуком нейтрино — іншого виду субатомних частинок. Дані про мюони допомагають дослідникам відокремлювати потрібні сигнали від фонового шуму.

Згодом з'ясувалося, що компактні детектори можуть мати значно ширше застосування. Їх почали використовувати студенти, викладачі та професійні науковці.

«Детектори CosmicWatch дозволяють нам виконувати набагато більше фізичних досліджень у компактному та портативному вигляді, відкриваючи двері для багатьох нових видів експериментів та можливостей для охоплення аудиторії», – сказав Спенсер Аксані.

Сучасні версії CosmicWatch здатні швидше накопичувати дані, контролювати параметри навколишнього середовища та працювати за умов підвищеного рівня радіації. Такі пристрої використовують у дослідженнях елементарних частинок і темної матерії.

Один із детекторів також піднімали на повітряній кулі приблизно на 30 км над поверхнею Землі. Завдяки цьому дослідники змогли простежити, як змінюється інтенсивність потоку космічних частинок залежно від висоти.

Науковці також розглядають можливість встановлення подібних систем на ракетах і космічних апаратах. У перспективі мережа компактних детекторів може допомогти відстежувати зміни космічного середовища та досліджувати потоки частинок поблизу Землі.