Scientia

Pământul este bombardat continuu de raze cosmice de energii foarte mari. Această radiaţie a fost descoperită în 1912 de fizicianul german Victor Hess care a obţinut premiul Nobel pentru fizică în 1936. Nu există o teorie unanim acceptată privind razele cosmice.

Nu există o teorie care să explice originea şi producerea particulelor cosmice primare de energie foarte mare, precum şi interacţiile acestora în mediul interstelar.

Cercetătorii presupun că ele apar în prezenţa câmpurilor magnetice puternice, iar sursele cele mai probabile sunt pulsarii, sistemele de stele binare, supernovele, hipernovele şi nucleele galactice active (galaxiile Seyfert, galaxiile radio şi quasarii, toate acestea presupunându-se a avea o gaură neagră supermasivă în centru şi un disc de materie în jurul acesteia). Din această cauză studiul radiaţiei cosmice poate conduce la o mai bună înţelegere a acestor fenomene extreme din Univers.

Schemă a unei jerbe de radiaţii care se produce atunci când când o particulă cosmică cu o mare energie se ciocneşte cu atomii din atmosfera Pământului.

Radiaţia cosmică se studiază indirect, prin măsurarea efectelor pe care le are. Atunci când o particulă cosmică loveşte un nucleu atmosferic vor avea loc reacţii prin care se produc o serie de particule secundare. Aceste particule secundare vor interacţiona la rândul lor cu alte nuclee din atmosferă, producând alte particule secundare sau descompunându-se în particule mai uşoare. Toate aceste particule formează o jerbă de particule atmosferică extinsă. Procesul se repetă până când energia particulelor scade suficient de mult încât să nu mai existe alte reacţii ulterioare.

Dacă energia particulei iniţiale este foarte mare, vor apărea reacţii care nu pot fi testate nici în cele mai avansate acceleratoare de particule de pe Pământ. Din acest motiv jerbele de particule produse în atmosfera pot avea rolul unui laborator pentru studiul fizicii particulelor. De asemenea, aceste jerbe produc o fracţiune ridicată din radioactivitatea naturală de pe Terra. În plus, a fost sugerat că radiaţia cosmică afectează vremea şi din această cauză poate juca un rol activ în schimbările climatice.

Detecţia şi măsurarea acestor particule se face prin diverse tehnologii: detectoare de particule (de cele mai multe ori scintilatoare sau detectoare pentru observarea efectului Cerenkov în aer sau apă), detectoare de fluorescenţă (în unde din spectrul vizibil sau ultraviolet, emise de moleculele de azot excitate de-a lungul cascadei), detectoare de unde acustice (au fost concepute proiecte pentru detecţie în lacurile Titicaca şi Khara Kkota în Bolivia), tehnici radar şi tehnici radio.

Tehnicile radio presupun utilizarea unui număr mare de radio antene care să măsoare radiaţia electromagnetică produsă de jerbele de particule atmosferice. Această nouă metodă de detecţie are numeroase avantaje dintre care menţionăm: se pot face măsurători atât ziua, cât şi noaptea, rezoluţia este foarte bună, costul este redus, se pot observa efectele evoluţiei întregii cascade (detectoarele de particule pot fi folosite numai la măsurarea particulelor care ajung la sol), parametrii particulei iniţiale pot fi determinaţi în totalitate folosind doar măsurători radio.

Ideea de a investiga jerbele de particule în aer măsurând radiaţia emisă sub formă de unde radio îi aparţine fizicianului englez J.V. Jelley care în jurul anilor ’60 a reuşit să detecteze unde radio de frecvenţa 44 MHz. În acea perioadă nu existau prea multe informaţii legate de câmpul magnetic al Pământului. Mai mult, mecanismele din spatele emisiei radio nu erau în totalitate înţelese.

În ultimii ani s-au făcut progrese semnificative atât în plan teoretic, cât şi experimental. LOPES (Germania) a fost primul experiment capabil să determine fără ambiguităţi impulsuri radio de la cascade cu un telescop radio digital, iar experimentul Yakutsk (Rusia) a măsurat cel mai mare eveniment radio (o particulă cu o energie de 1020eV). A fost descoperită radiaţie într-o gamă extinsă de frecvenţe radio, de la 10kHz la 1GHz. Cu toate acestea, principalul proces care duce la apariţia undelor radio nu a fost încă determinat. Se presupune că acesta este legat de efectul geomagnetic (interacţia particulelor încărcate cu câmpul geomagnetic). Pe lângă acesta mai apare şi efectul legat de interacţia particulelor încărcate cu câmpul geo-electric (câmpul electrostatic al atmosferei) dar şi efecte datorate diferenţei între modul în care electronii, pozitronii (particule cu aceleaşi proprietăţi cu electronii, însa de sarcina electrică opusă) şi fotonii interacţionează cu constituenţii atmosferei.

Odată cu determinarea principalului efect care contribuie la radiaţia în domeniul radio frecventelor, radio detectoarele vor putea fi utilizate independent, fără alte tipuri de măsurători complementare. Se doreşte ca răspunsul să fie dat de AERA (Auger Engineering Radio Array), care reprezintă următoarea generaţie de interferometre radio digitale. Este în prezent în construcţie la observatorul Pierre Auger din Argentina. Măsurătorile radio vor fi calibrate folosind detectoarele de particule şi de fluorescenţă.

Construcţia observatorul Pierre Auger a fost propusă în 1992 de fizicianul american Jim Cronin (premiul Nobel în fizică, 1980) şi de fizicianul englez Alan Watson. Astăzi la proiect colaborează mai mult de 490 de oameni de ştiinţă din peste 90 de instituţii. Sunt implicate peste 19 ţări, iar bugetul alocat pentru construcţie depăşeşte 50 milioane dolari.

Începând cu lună martie 2011, România s-a alăturat acestui proiect, cu titulatura de “ţară asociată Germaniei”. Echipa româna care participă la proiect are în componenţa cercetători de la Institutul de Fizică şi Inginerie Nucleară - “Horia Hulubei”, Universitatea Politehnică din Bucureşti şi Universitatea Bucureşti.