— Published on 18/10/2014 / Bug.hr.
Grupa američkih znanstvenika nedavno je izradila aplikaciju kojom bi se mreža pametnih telefona mogla koristiti kao detektor kozmičkih zraka najviših energija. Kozmičke zrake neprekidno bombardiraju Zemlju pa u atmosferi stvaraju ogromne pljuskove sekundarnih čestica. Dio tih sekundarnih čestica, prvenstveno miona, dolazi do površine Zemlje i može se lako detektirati. Kamere pametnih telefona su zapravo detektori, doduše detektori vidljive svjetlosti. No, senzori CMOS koji se danas koriste u kamerama reagiraju i na gama-zrake nižih energija, a takve gama-zrake također nastaju u pljuskovima sekundarnih čestica koji su započeti primarnom kozmičkom zrakom.
Kozmičke zrake
Kozmičke zrake su električki nabijene čestice ogromnih energija koje dolaze iz svemira. Većinom su to protoni (čestice koje grade atomske jezgre svih atoma), a manjim dijelom alfa-čestice (jezgre helija) ili teže atomske jezgre. Energije tih čestica kreću se od GeV, što je milijarda elektronvolti, do čak 1021 eV, što se trilijarda elektronvolti. Jedan elektronvolt je otprilike energija jednog optičkog fotona ili čestice vidljive svjetlosti. Za usporedbu, ultraljubičasto zračenje – koje je već opasno za čovjeka – ima energiju od 10 do 100 eV. Rendgensko – koje s lakoćom prolazi kroz tkiva i neizbježno uzrokuje oštećenja – ima energijski opseg od 100 eV do 100000 eV. Elektromagnetsko zračenje iznad 100000 eV je gama-zračenje. Ono gama-zračenje kojem su ljudi izloženi, a koje dolazi iz radioaktivnih izvora u tlu i zraku ili ono koje stvaraju sekundarne kozmičke zrake, ima energiju oko MeV ili milijun elektronvolti. To su one gama-zrake na koje reagiraju CMOS-senzori kamera pametnih telefona. Kozmičke gama-zrake koje možemo detektirati sa Zemlje dosežu i do 10 TeV. Tih 10 TeV, ili 10 bilijuna eV, je krajnji doseg energija do kojih možemo protone ubrzati u Zemaljskim akceleratorima, primjerice LHC-u na CERN-u.
Kozmički akceleratori mogu, dakle, biti sto milijuna puta snažniji od LHC-a. Od otkrića kozmičkih zraka do danas stoji otvoreno pitanje: što su zapravo kozmički akcelatori, koji kozmički objekti ili procesi mogu ubrzati čestice do takvih nezamislivo velikih energija. Prema onome što danas znamo, za dio kozmičkih zraka odgovorni su galaktički izvori, konkretno eksplozije supernova. No, kozmičke zrake onih najviših energija najvjerojatnije nisu galaktičkog, nego izvangalaktičkog podrijetla: njih vjerojatno stvaraju aktivne galaktičke jezgre, središta dalekih galaksija u kojima postoji aktivna supermasivna crna rupa.
Pljuskovi čestica u atmosferi
Kad kozmička zraka uleti u Zemljinu atmosferu, što je gust medij u usporedbi s međuzvjezdanim i međugalaktičkim prostorom, dolazi do interakcije te kozmičke zrake i neke jezgre dušika ili kisika pri čemu nastaju nove čestice i antičestice. Doslovno se događa materijalizacija: iz ogromne kinetičke energije kozmičke zrake nastaju materijalne čestice: pioni, kaoni, protoni pa onda još mioni i elektroni. Naravno, ne sve istodobno. Prvi par čestica-antičestica dobije i golemu kinetičku energiju pa stvara druge parove koji opet stvaraju druge parove i tako dalje. Osim sudara događaju se i raspadi nestabilnih čestica. Ubrzo se od primarne kozmičke zrake razvije veliko mnoštvo čestica, milijuni ili čak milijarde, a tu pojavu nazivamo pljuskom čestica u atmosferi.
Energije primarnih kozmičkih zraka u rasponu su otprilike od par GeV do nekoliko puta 1021 eV. No, spektar nije uniforman što znači da se kozmičke zrake svih energija ne javljaju s istom učestalošću. Niže energije su puno, puno zastupljenije. Što viša energija, rijeđi je događaj. Primjerice, kozmičke zrake od 100 GeV (1011 eV) dolaze na Zemlju u prosjeku jedna po kvadratnom metru na sekundu; one od 1015 eV dolaze otprilike jedna po kvadratnom metru na godinu; one s energijama 1019 eV jedna po kvadratnom kilometru na godinu; i konačno kozmičke zrake od 1021 eV jedna po kvadratnom kilometru na stoljeće. Zato detektori moraju pokrivati ogromne površine, primjerice opservatorij Pierre Auger rasprostire se na 3000 km2, što je otprilike površina Pariza.
Detektori i fotosenzori
Detekcija kozmičkih zraka moguća je samo na posredan način: opažanjem onih nabijenih čestica u pljusku koje stignu do detektora na tlu ili opažanjem elektromagnetskog zračenja koje je nastalo zbog brzih nabijenih čestica u pljusku. Opservatorij Pierre Auger, trenutno najveći eksperiment za detekciju kozmičkih zraka najviših energija, kombinira oba spomenuta načina. Fluorescencija koju pljusak stvara u atmosferi opaža se s 24 teleskopa posebne vrste. Nabijene čestice koje dolaze do tla detektiraju se s čak 1600 vodenih rezervoara u kojima nabijene čestice stvaraju Čerenkovljevu svjetlost (što je opet elektromagnetsko zračenje, kao i fluorescencija).
Za opažanje Čerenkovljeve svjetlosti i fluorescencije potrebni su fotosenzori. I sad dolazimo do kamera pametnih telefona koje su također građene od fotsenzora. Naravno, fotosenzor je širok pojam. Za različite namjene i različita područja spektra postoje vrlo različiti uređaji. Samo neki iz širokog dijapazona fotosenzora su: fotoploče koje su se nekad koristile u astronomiji i medicini za fotografiranje; fotomultiplikatori koji se i danas koriste u kamerama Čerenkovljevih teleskopa jer su izuzetno brzi; CCD-senzori (Charge-coupled device) koji se danas masovno koriste u optičkoj astronomiji i digitalnoj fotografiji. I mnogi drugi. Između ostalih i CMOS-senzori (Complementary metal-oxide-semiconductor) koji su vrlo kompaktni, a ipak svaki piksel ima svoje pojačalo. Osim toga jeftini su i malo troše pa su pogodni za kamere pametnih telefona.
Fizička pojava koja stoji u pozadini većine fotosenzora je fotoelektrični učinak – izbacivanje elektrona iz materijala, s pomoću fotona. Elektron je nabijena čestica pa se u električnom polju giba usmjereno. A usmjereno gibanje električnog naboja je električna struja, dakle "signal" koji možemo mjeriti i bilježiti. Kod elektromagnetskog zračenja viših energija (ultraljubičastog, rendgenskog i pogotovo kod gama-zračenja) uz fotoelektrični učinak postaje važna još jedna pojava – Comptonov učinak pri kojem se samo dio energije fotona prenese na elektron. Za gama-zračenje Comptonov učinak postaje dominantan. Konačno, evo što gama-zračenje energije oko 1 MeV (kakvo stvaraju nabijene čestice u pljusku koji inicira kozmička zraka) napravi u CMOS-kameri pametnog telefona: dovoljno često izbaci pokoji elektron što u konačnici ima isti učinak kao vidljiva svjetlost koja pada u kameru – daje signal u pojedinim pikselima. Naravno, da bi se takav signal opazio kamera mora biti zatvorena (obično je dovoljno da je telefon položen na podlogu s kamerom prema dolje) i treba imati dobar algoritam koji signal razlikuje od šuma (koji postoji zbog malo svjetlosti koje ipak ulazi te zbog termičkog gibanja koje ponekad izbacuje elektrone). Takav algoritam je razvijen i ugrađen u aplikaciju projekta CRAYFIS.
ProjektCRAYFIS
Skupina fizičara s dvaju kalifornijskih sveučilišta, Irvine i Davis, pokrenula je projekt CRAYFIS (Cosmic Rays Found in Smartphones) kojim se predlaže potpuno novi pristup opažanju kozmičkih zraka najviših energija, iznad 1018 eV. Umjesto ogromnih i skupih detektorskih sustava za kozmičke zrake, kakav je primjerice opservatorij Pierre Auger u Argentini koji je koštao 50 milijuna dolara, CRAYFIS bi koristio CMOS-kamere postojećih pametnih telefona. Veliki broj aktivnih telefona, privatnih korisnika koji bi pristali sudjelovati u projektu, trebao bi nadomjestiti malu veličinu i nisku učinkovitost svakog pojedinog senzora.
Prema nekim procjenama, danas se u cijelom svijetu koristi oko milijardu i pol mobitela. Naravno, nemaju svi ti telefoni kamere s CMOS-tehnologijom. Niti bi svi korisnici pametnih teklefona pristali instalirati aplikaciju koja aktivira njihovu kameru svaki put kad je telefon spojen na punjač i šalje podatke svaki put kad je telefon spojen na WiFi mrežu. No, istraživači CRAYFIS-a nadaju se pridobiti dovoljan broj korisnika i usavršiti analizu tako prikupljenih podataka do te mjere da mogu konkurirati velikim eksperimentima tipa Pierre Auger. No, čak i da ne uspiju u potpunosti ostvariti te svoje namjere, CRAYFIS će biti koristan jer će pokazati slabe točke takvih akcija i time olakšati realizaciju sličnih ideja u budućnosti.