Через Землю постоянно проходят мельчайшие частицы из космоса, хотя человек не способен их увидеть, услышать, почувствовать на вкус или запах. Значительная часть таких частиц связана с космическими лучами — частицами с чрезвычайно высокой энергией, которые рождаются при взрывах звёзд и других мощных процессах далеко за пределами Солнечной системы. Когда космические лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли, возникают ливни вторичных частиц, и среди них — мюоны, проходящие сквозь атмосферу и даже сквозь грунт.
Профессор физики Делавэрского университета Спенсер Аксани создал устройство CosmicWatch, которое заметно упрощает регистрацию этих невидимых частиц. Сегодня технологию применяют самые разные пользователи — от школьников до профессиональных исследователей. Прибор размером примерно с коробку крекеров собран из электронных компонентов стоимостью около 100 долларов: при прохождении мюона он подаёт световой сигнал и фиксирует счёт, а данные сохраняются, чтобы потом их можно было скачать и проанализировать.
Изначально детектор задумывался как недорогой способ познакомить студентов с физикой частиц, однако со временем CosmicWatch нашёл применение и в международных астрофизических исследованиях. «Детекторы CosmicWatch позволяют нам делать гораздо больше физики при резко меньших затратах, в компактной и портативной форме, открывая дорогу многим новым экспериментам и возможностям для просветительской работы», — заявил Аксани. Мюоны интересуют учёных потому, что помогают получить сведения о самых мощных событиях во Вселенной, включая сверхновые, гамма-всплески и блазары. Измеряя мюоны, исследователи могут оценить свойства исходного космического луча — его энергию, массу и направление.
Мюонный поток сыграл важную роль и в истории физики: в начале 1940-х годов измерения этих частиц дали одно из первых экспериментальных подтверждений специальной теории относительности Эйнштейна. Мюоны полезны и для изучения объектов на Земле: они проходят сквозь стены, породу или человеческое тело, не нанося вреда, а поскольку оставляют detectable (обнаруживаемый) энергетический след, с их помощью можно получать изображения структур, скрытых за большими массами вещества. В 2016 году мюонная технология позволила обнаружить неизвестный коридор в пирамиде Хеопса. Проблема в том, что обычные мюонные детекторы часто громоздкие и дорогие, что ограничивает и возможности экспериментов, и число школ, способных дать ученикам практический доступ к такой технологии. «Типичная студенческая лаборатория по физике использует для измерения мюонов стойку электроники размером с небольшой книжный шкаф», — отметил Аксани.
Впервые Аксани создал CosmicWatch в 2017 году, будучи аспирантом MIT. Его первоначальной целью был компактный и энергоэффективный мюонный детектор для обсерватории IceCube в Антарктиде — массивного детектора, buried (погружённого) в лёд и ведущего поиск нейтрино, ещё одного типа субатомных частиц. Мюонный детектор помогает отличать мюоны от нейтрино, которые исследователи пытаются идентифицировать. По мере развития проекта Аксани понял, что ту же технологию можно сделать портативной и достаточно дешёвой для образовательных целей, и CosmicWatch превратился в инструмент для преподавания физики частиц. После прихода на факультет Делавэрского университета в 2022 году Аксани продолжил совершенствовать конструкцию и недавно выпустил третью версию CosmicWatch. Улучшения, описанные в статье в Journal of Instrumentation в октябре, позволяют новому детектору следить за окружающей обстановкой, выдерживать высокие уровни радиации и быстрее собирать данные. «Хотя я изучала космические лучи, я не до конца осознавала богатую физику, стоящую за работой этих детекторов, позволяющих буквально «видеть» мир и рождение частиц в атмосфере, — сказала Масоома Сарфраз, докторант лаборатории Аксани и основной автор статьи в журнале. — Для такого студента, как я, который работал над теоретическими идеями, это была идеальная возможность погрузиться в экспериментальную сторону. Это также прекрасно связано с моей текущей более широкой исследовательской работой по физике частиц».
Новая конструкция CosmicWatch хорошо подходит для калибровки крупномасштабных детекторов: сейчас она используется в эксперименте NuDot в Делавэрском университете и в детекторе тёмной материи Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Исследователи также разрабатывают другую версию, способную измерять первичные космические лучи на борту ракет и космических аппаратов. Несмотря на расширяющуюся научную роль, образование остаётся важной частью CosmicWatch: в Делавэрском университете Аксани использует детектор для преподавания физики частиц, ядерной физики и астрофизики, а студенты сами собирают устройства, получая опыт работы с высокоскоростной электроникой, прежде чем применять готовые детекторы в собственных экспериментах. Докторант программы квантовой науки и инженерии Мусарат Шамс модифицировал свой CosmicWatch, добавив датчики температуры и давления, чтобы изучать космические лучи в верхних слоях атмосферы Земли. В мае детектор поднялся на высотном воздушном шаре на 100 000 футов, почти к границе космоса, и после анализа измерений Шамс смог показать, как меняется поток космических лучей из космоса с ростом высоты. «Очень здорово собрать в лаборатории за пару дней что-то, что способно регистрировать эти классные частицы с расстояния в сотни световых лет», — сказал он.
CosmicWatch применяют и за пределами Делавэрского университета: Наташа Холмс, адъюнкт-профессор физики имени Энн С. Бауэрс в Корнеллском университете, даёт студентам своих вводных курсов собирать детекторы и проводить с ними эксперименты. По её словам, непосредственная работа с технологией даёт студентам опыт, куда более близкий к профессиональной экспериментальной физике. «Студенты, кажется, действительно воодушевлены тем, что делают нечто более похожее на то, чем на самом деле занимаются физики-экспериментаторы, — сказала она. — Они учатся немного программировать, а иногда ломают устройства, и тогда приходится говорить с ними об аккуратном обращении с оборудованием. Это сильно отличается от типичной физической лаборатории. У нас были студенты, которые после работы с ним говорили, что занимаются «настоящей наукой»». Аксани оценивает, что с момента появления первой версии восемь лет назад было собрано тысячи детекторов CosmicWatch, и надеется, что это число в перспективе значительно вырастет благодаря всемирной инициативе «гражданской науки». По этой идее люди в разных уголках планеты могли бы измерять локальные скорости мюонов и отправлять наблюдения в единый онлайн-центр, а вместе такие измерения позволили бы составить гораздо более широкую картину активности частиц вокруг Земли. Аксани также разрабатывает связанную систему детекторов, которая помогла бы группам спутников разумнее реагировать на изменения обстановки: технология позволила бы аппаратам обмениваться данными о conditions (условиях) в космосе, и при обнаружении солнечной вспышки система могла бы предупредить соседние спутники, чтобы те при необходимости отключились. То, что начиналось как недорогой образовательный проект, распространилось на несколько областей передовой физики, чего Аксани изначально не ожидал. «Хотя это начиналось как образовательная программа, оно нашло применение во многих разных областях физики, — сказал Аксани. — Это довольно круто».