Cep boyutunda, yaklaşık 100 dolarlık bir dedektör, Dünya’dan ve hatta bedenlerimizden sürekli geçen görünmez kozmik parçacık akışını ortaya çıkarabiliyor. Öğrenci fizik projesi olarak başlayan çalışma şimdi büyük deneylerde, balon görevlerinde ve potansiyel olarak gelecekteki uzay araçlarında kullanılıyor.
Uzaydan gelen minik parçacıklar sürekli olarak Dünya’dan geçiyor, ancak biz onları göremiyor, duyamıyor, hissedemiyor, tadamıyor ya da koklayamıyoruz.
Bu parçacıkların birçoğu kozmik ışınlarla bağlantılı; kozmik ışınlar, güneş sistemimizin çok ötesindeki patlayan yıldızlar ve diğer şiddetli olaylardan gelen son derece enerjik parçacıklardır. Kozmik ışınlar Dünya atmosferinin yüksek kısımlarındaki atomlara çarptığında ikincil parçacık yağmurları oluşturur. Bunların arasında atmosferden geçebilen ve hatta yeraltına nüfuz edebilen miyonlar da bulunur.
Delaware Üniversitesi fizik profesörü Spencer Axani, bu aksi halde görünmez parçacıkları tespit etmeyi çok daha kolay hale getiren CosmicWatch adlı bir cihaz geliştirdi. Teknoloji artık lise öğrencilerinden profesyonel araştırmacılara kadar herkes tarafından kullanılıyor.
Görünmez kozmik parçacıklar için 100 dolarlık dedektör
CosmicWatch, hayvan bisküvisi kutusu boyutlarındadır. Yaklaşık 100 dolarlık elektronik bileşenlerden üretilen dedektör, bir miyon içinden geçtiğinde yanıp sayım yapar. Bilgiler saklanır ve kullanıcılar daha sonra veriyi indirip analiz edebilir.
Cihaz başlangıçta öğrencilere parçacık fiziğini tanıtmak için uygun maliyetli bir yol olarak oluşturuldu. O zamandan beri CosmicWatch, uluslararası astrofizik araştırmalarında da rol buldu.
“CosmicWatch dedektörleri, çok daha düşük maliyetle, kompakt ve taşınabilir bir formda çok daha fazla fizik yapmamıza olanak tanıyor; bu durum yeni deney türlerinin ve erişim fırsatlarının önünü açıyor,” dedi Axani.
Miyonların evren hakkında neyi ortaya çıkarabileceği
Bilim insanları miyonları inceliyor çünkü bunlar süpernovalar, gama ışını patlamaları ve blazarlar da dahil olmak üzere evrendeki en güçlü olaylar hakkında ipuçları verebiliyor. Miyonları ölçerek araştırmacılar, orijinal kozmik ışının enerjisi, kütlesi ve yönü gibi özelliklerini tahmin edebiliyor.
Miyon akısı fizik tarihinde de önemli bir rol oynadı. 1940’ların başında bu parçacıkların ölçümleri, Einstein’ın özel görelilik teorisinin ilk deneysel doğrulamalarından birini sağladı.
Miyonlar Dünya’daki nesneleri incelemek için de kullanışlıdır. Parçacıklar duvarlar, kaya ya da insanlar gibi katı maddelerden hasar vermeden geçebilir. Ardında saptanabilir bir enerji izi bıraktıkları için bilim insanları, büyük miktarda madde arkasında gizlenmiş yapıları görüntülemek için onları kullanabiliyor. 2016’da miyon teknolojisi Giza’daki Büyük Piramit’te bilinmeyen bir koridoru ortaya çıkardı.
Sorun, geleneksel miyon dedektörlerinin genellikle hacimli ve pahalı olmasıdır. Bu durum araştırmacıların gerçekleştirebileceği deneyleri ve öğrencilere teknolojiye uygulamalı erişim sağlayabilen okul sayısını sınırlıyor.
“Tipik bir lisans fizik laboratuvar dersinde miyonları ölçmek için küçük bir kitaplık boyutunda bir elektronik rafı kullanılır,” dedi Axani.
CosmicWatch nasıl başladı
Axani, CosmicWatch’ı ilk kez 2017’de MIT’de lisansüstü öğrenci iken oluşturdu. Orijinal amacı, Antarktika’daki IceCube gözlemevinde kullanılmak üzere kompakt, enerji verimli bir miyon dedektörü inşa etmekti.
IceCube, nötrinolar olarak adlandırılan başka bir alt atomik parçacık türünü aramak için buzun altında gömülü devasa bir dedektördür. Bir miyon dedektörü faydalıdır çünkü araştırmacıların aramaya çalıştıkları nötrinoları miyonlardan ayırt etmelerine yardımcı olur.
Proje geliştikçe Axani, aynı teknolojinin eğitim kullanımı için taşınabilir ve yeterince ucuz hale getirilebileceğini fark etti. CosmicWatch daha sonra parçacık fiziğini öğretmek için bir erişim aracına dönüştü.
2022’de UD fakültesine katıldıktan sonra Axani tasarımı geliştirmeye devam etti. Journal of Instrumentation’da Ekim ayında yayımlanan bir makalede anlatılan iyileştirmelerle yeni dedektör çevresini izleyebiliyor, yüksek radyasyon seviyelerine dayanabiliyor ve veriyi daha hızlı toplayabiliyor.
“Kozmik ışınları çalışmış olsam da, bu dedektörlerin dünyayı ve atmosferik parçacık üretimini gerçekten ‘görmek’ için nasıl çalıştığının arkasındaki zengin fiziği tam olarak kavramamıştım,” dedi Axani’nin laboratuvarında doktora öğrencisi ve makalenin birincil yazarı Masooma Sarfraz. “Teorik fikirler üzerinde çalışan bir öğrenci olarak bu, deneysel tarafa dalmak için mükemmel bir fırsattı. Ayrıca mevcut daha geniş parçacık fiziği araştırmamla da güzel bir şekilde bağlantı kuruyor.”
Karanlık madde araştırmasından uzay uçuşuna
CosmicWatch’ın en yeni tasarımı büyük ölçekli dedektörleri kalibre etmek için oldukça uygundur. Şu anda UD’deki NuDot deneyinde ve Los Alamos, New Mexico’daki Coherent CAPTAIN-Mills karanlık madde dedektöründe kullanılıyor.
Araştırmacılar ayrıca roketler ve uzay araçları üzerinde birincil kozmik ışınları ölçebilecek başka bir sürüm geliştiriyor.
Genişleyen araştırma rolüne rağmen eğitim CosmicWatch için önemli bir parça olmaya devam ediyor. UD’de Axani, dedektörü parçacık, nükleer ve astrofizik öğretmek için kullanıyor. Öğrenciler cihazları kendileri bir araya getiriyor, yüksek hızlı elektroniklerle deneyim kazanıyor ve daha sonra tasarladıkları deneylerde bitmiş dedektörlerini kullanıyor.
Kuamtum bilim ve mühendislik programında doktora öğrencisi Musarate Shams, kendi CosmicWatch’ına sıcaklık ve basınç sensörleri ekleyerek değiştirdi. Amacı Dünya’nın üst atmosferinde kozmik ışınları incelemektir.
Mayıs ayında dedektör, uzayın kenarına yakın 100.000 feet yüksekliğe ulaşan yüksek irtifa bir balonla seyahat etti. Ölçümleri inceledikten sonra Shams, kozmik ışınların akışının irtifa arttıkça nasıl değiştiğini gösterebildi.
“Laboratuvarda birkaç günde bir şey inşa edip bunun yüzlerce ışık yılı uzaktan gelen bu havalı parçacıkları algılayabilmesini sağlamak çok havalı bir şey,” dedi.
Öğrencilere gerçek parçacık fiziğinin tadını tattırmak
CosmicWatch Delaware Üniversitesi dışında da kullanılıyor. Cornell Üniversitesi’nde Ann S. Bowers Fizik Profesörü Natasha Holmes, giriş fizik derslerindeki öğrencilerin dedektörleri inşa edip onlarla deneyler yapmasını sağlıyor.
Teknolojiyle doğrudan çalışmanın öğrencilere profesyonel deneysel fiziğe çok daha yakın bir deneyim sunduğunu söyledi.
“Öğrenciler parçacık fizikçilerinin ve deneysel fizikçilerin gerçekten yaptığı şeye daha çok benzeyen bu şeyi yapmaktan gerçekten heyecan duyuyor gibi görünüyor,” dedi. “Biraz kodlama öğreniyorlar, bazen cihazları bozuyorlar ve sonra ekipmanınızla dikkatli olmanız gerektiği hakkında onlarla konuşmamız gerekiyor. Tipik bir fizik laboratuvarından çok farklı. Kullanımdan sonra ‘gerçek bilim’ yaptıklarını söyleyen öğrencilerimiz oldu.”
Olası küresel bir kozmik ışın dedektör ağı
Axani, ilk sürüm ortaya çıktıktan sekiz yıl sonra binlerce CosmicWatch dedektörünün inşa edildiğini tahmin ediyor. Bu sayının dünya çapında bir ‘vatandaş bilimi’ çabası yoluyla çok daha büyük hale gelebileceğini umuyor.
Bu fikre göre dünyanın farklı bölgelerindeki insanlar yerel miyon oranlarını ölçüp gözlemlerini çevrimiçi merkezi bir konuma gönderebilir. Birlikte bu ölçümler gezegen çevresindeki parçacık aktivitesinin çok daha geniş bir resmini oluşturabilir.
Axani ayrıca uydu gruplarının çevrelerindeki değişikliklere daha akıllıca tepki vermesine yardımcı olabilecek ilgili bir dedektör sistemi geliştiriyor. Teknoloji, uyduların uzaydaki koşullar hakkında birbirleriyle iletişim kurmasına olanak tanıyabilir. Örneğin bir güneş patlaması tespit edilirse sistem, yakınlardaki uyduları uyarıp gerekirse güçlerini kapatmalarını sağlayabilir.
Ucuza mal olan bir eğitim projesi olarak başlayan çalışma şimdi ileri fiziğin birkaç alanına yayıldı; Axani bunun başlangıçta beklemediği bir gelişme olduğunu belirtiyor.
“Eğitim programı olarak başlasa da, fiziğin birçok farklı alanında kullanıma bulundu,” dedi Axani. “Oldukça havalı.”
