Sedí Bobík v pampě

A nesedí tam sám... Ve vyprahlé argentinské pampě je také Anda, Mozek, Brko, Oko, Jedlík, Sova a další. Jsou to detektory kosmického záření, nejenergetičtějších částic přicházejících na Zemi z vesmíru. Svá jména dostaly tyto tzv. sudy od českých dětí, vítězů soutěže uspořádané Českým rozhlasem a Fyzikálním ústavem AV ČR.

Ve výšce 1400 metrů nad mořem, uprostřed argentinské pampy pod zasněženými vrcholky And, vzniká mezi pichlavými keříky nejrozlehlejší vědecký projekt na světě – observatoř Pierra Augera, pojmenovaná po slavném francouzském fyzikovi, který se kosmickým zářením zabýval jako jeden z prvních. Na ohromné ploše 3000 kilometrů čtverečních (to je asi jako Liberecký kraj nebo 4 % rozlohy našeho státu) jsou postupně rozmísťovány speciální detektory kosmického záření, familiárně přezdívané „sudy“. Projekt má být dokončen na počátku roku 2006, kdy bude rozmístěno všech 1600 sudů. Každý z nich je ve skutečnosti Čerenkovův detektor naplněný superčistou vodou a vybavený třemi citlivými detektory světla, fotonásobiči.
Když částice kosmického záření s rekordní energií vlétne do atmosféry, už ve výšce několika desítek kilometrů nad zemí se poprvé srazí s nějakou molekulou. Produktem takové srážky je obvykle asi desítka částic, z nichž každá nese celkem nepřekvapivě přibližně desetinu původní energie. Po chvíli se produkty první srážky srazí znovu, pak znovu a znovu – energie původní částice se drobí, vzniká sprška kosmického záření. Celkem má toto drobení kolem deseti úrovní, a tak můžeme po jednoduchém výpočtu odhadnout, že namísto jediné částice nám do pampy dopadne třeba deset miliard drobečků – částic sekundárního kosmického záření.
Některé drobky mají to štěstí, že vletí do jednoho ze sudů. I když jejich energie je pouhým zlomečkem energie původní, stále je ještě dost veliká na to, aby částice vyvolala v sudu záblesk typického modrého světla – Čerenkovova záření. Čím více sudů záblesky zaznamená a čím jsou záblesky intenzivnější nebo četnější, tím větší energii měla původní, primární částice. Z přesného měření časů záblesků v jednotlivých sudech lze dokonce přesně určit i směr, odkud částice přiletěla.

Čtyři oči upřené na oblohu
Projekt Augerovy observatoře je však unikátní nejen svou gigantickou rozlohou. Poprvé je tu totiž možné pozorovat kosmické záření dvěma různými metodami zároveň. Kromě sudů budou v pampě i čtyři „oči“. Tyto budovy s fluorescenčními teleskopy jsou rozmístěny po stranách území pokrytého sudy. Za jasných a bezměsíčných nocí umožní teleskopy vybavené citlivými fotonásobiči sledovat přímo vznikání spršky v atmosféře – při drobení energie primární částice dochází totiž k vybuzení molekul dusíku v atmosféře, které pak fluoreskují a září světlem na pomezí viditelné a ultrafialové oblasti.
Zatímco sudy zachytí částice spršky kdykoli a za jakéhokoli počasí, fluorescenční teleskopy fungují jen při dostatečně temné noční obloze, a tak zaznamenají jen asi 10 % případů z celkového počtu. Přesto jsou tato zdvojená – říkáme jim hybridní – měření nesmírně cenná, neboť díky kombinaci různých metod umožňují určit s nebývalou přesností jak směr příchodu dané částice, tak zejména její ohromnou energii.

Česká jména v pampě
Čerenkovy detektory, sudy v pampě, nejsou anonymní. Aby se mezi nimi vědci a technici lépe orientovali, má každý své jméno. Až donedávna sudy pojmenovávali zejména nejlepší žáci argentinských škol. Projekt Augerovy observatoře je však projektem mezinárodním – podílí se na něm na 250 badatelů z 13 různých zemí Evropy, Ameriky a Austrálie, mezi nimi i vědci z České republiky. A tak po dohodě se svými zahraničními kolegy vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s Českým rozhlasem tuto tradici malinko pozměnili – v říjnu 2004 vyhlásili soutěž, v níž mohly české děti navrhnout jména stanicím povrchového detektoru.
Spolu s názvy pro stanice posílaly děti obrázky a literární díla, která se k navrhovaným jménům nějak vztahovala. Celkem přišlo 83 návrhů. Odborná porota ve složení Helena Illnerová, předsedkyně Akademie věd ČR, geolog Petr Jakeš, vedoucí oddělení optiky Fyzikálního ústavu AV ČR Jan Řídký a akademická malířka Lucie Seifertová brala v úvahu nápaditost, literární kvalitu zaslaných povídek i výtvarnou úroveň obrázků. Původně měli porotci vybrat deset nejlepších návrhů, ale nakonec se s ohledem na kvalitu předkládaných názvů a prací rozhodli rozšířit počet na patnáct. Jako odměnu obdrželi vítězové mezinárodní certifikát observatoře Pierra Augera. Ten je dokladem, že kdesi daleko v argentinské pampě existuje důležitá součást unikátního experimentálního zařízení, která byla pojmenována českým dítětem. V argentinské provincii Mendoza tak od listopadu 2004 měří vysokoenergetické kosmické záření mimo jiné detektory Mozek, Brko, Ucho, Bobik, Anda, Patrosh, Oko, Stelo, Jedlik, Sova, Myslik, Lunarion, Kerebros, Golem a Vodak. Prvním detektorem pojmenovaným českými dětmi byl ale Znalek, jehož jméno vymysleli v srpnu dětští kosmonauti – vítězové rozhlasové soutěže Expedice Vesmír.

Nezodpovězené otázky
A tak nyní české sudy v pampě pomáhají zodpovědět mnohé zcela zásadní otázky: Jaká je největší energie částic přilétajících z vesmíru? Víme, že některé přilétající částice mají energii více než stomilionkrát větší než ty, které dokážeme vyrobit v našich pozemských urychlovačích. Existuje však nějaká horní mez energií, anebo se v kosmu najdou i částice ještě energetičtější? Kde vznikají takto energetické kosmické částice? Jakým mechanismem jsou ve vesmíru urychlovány? Vznikají snad rozpadem dosud neznámých supertěžkých částic? Observatoř Pierra Augera se na tyto otázky snaží najít odpověď i pomocí sudů pojmenovaných českými dětmi. Bližší informace na www-hep2.fzu.cz/Auger a www.rozhlas.cz/vesmir

Pierre Auger
Kariéra profesora Augera zahrnovala nejen fyziku, ale i jadernou energetiku a výzkum vesmíru, organizování výzkumu, diplomatické služby a pedagogiku. Zabýval se rovněž moderní biologií, humanitními vědami, poezií a uměním.

Augerův jev
Při srážce fotonu (kvanta záření gama) s elektronem vázaným v atomovém obalu může dojít k fotoefektu, při kterém foton předá veškerou svou energii a elektron se z atomového obalu uvolní. Na místo “uprázdněné” po elektronu okamžitě přeskočí z vyšší slupky v atomovém obalu jiný elektron, přičemž energetický rozdíl vazbové energie na vyšší a nižší slupce se vyzáří ve formě fotonu charakteristického rentgenového záření. Při tomto pochodu však nemusí dojít k vyzáření charakteristického elektromagnetického záření, ale jako alternativní jev může nastat předání energie některému elektronu na vyšší slupce, který se pak uvolní a vyzáří jako tzv. Augerův elektron.

Víte, co je…
Čerenkovův efekt se projeví tehdy, když se částice pohybuje v daném prostředí rychleji, než je fázová rychlost světla v tomto prostředí. Vyvolává záření, které trvá do té doby, pokud je částice rychlejší než světlo (které se v daném průzračném prostředí šíří pomaleji než ve vakuu). Čerenkovův efekt je možno pozorovat například ve vodě v nádobách jaderných reaktorů. Voda v nádrži působením záření gama dostává charakteristický modravý svit. V praxi se Čerenkovova jevu využívá ke zkoumání pohybu částic vysoké energie, na jeho principu se konstruují speciální detektory (tzv. Čerenkovovy detektory), jimiž je možno měřit energii těchto částic. Využívá se toho, že nabitá částice (elektron, proton, atomové jádro), letící v daném prostředí rychleji než světlo (v tomto prostředí), vyšle záblesk světla. Ten je zaznamenán fotometrem či čidlem CCD (Charge Coupled Device). Na tomto principu funguje např. neutrinový detektor Super-Kamiokande (Třetí pól o něm psal v listopadu 2003), nebo detektory vysokoenergetických částic, o nichž píšeme zde.

Petr Trávníček & Michael Prouza