Skupina - Kosmické záření nejvyšších energií

Souhrn

Skupina se zabývá především analýzou dat, provozem a modernizací Observatoře Pierra Augera (www.auger.org), největšího detektoru kosmického záření na světě, který se rozkládá na ploše 3000 km2 na náhorní planině v argentinské provincii Mendoza. Hlavním cílem observatoře je objevovat extrémní astrofyzikální objekty a jevy schopné urychlovat kosmické záření o ultravysokých energiích (UHECR) na energie přesahující 1020 elektronvoltů (asi 1,6 joulu), což milionkrát překonává energie dosažené ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC, CERN). 

Text
Observatoř Pierra Augera
Popis
Observatoř Pierra Augera | foto: Tobias Schulz

 

Vlastnosti UHECR lze studovat pouze nepřímo na základě pozorování kaskád miliard sekundárních částic (atmosférických spršek), které vznikají interakcí primárních částic v horních vrstvách atmosféry. Na Observatoři Pierra Augera se detekce atmosférických spršek provádí vzorkováním příčné hustoty sekundárních částic pomocí povrchových vodních čerenkovských detektorů a pozorováním podélného vývoje spršek v atmosféře pomocí fluorescenčních teleskopů, které lze provozovat pouze za jasných a tmavých nocí. Fluorescenční technika, která využívá atmosféru jako obří kalorimetr, poskytuje kalorimetrický odhad energie UHECR pro malou část dat. Po kalibraci signálů produkovaných částicemi atmosférické spršky v povrchovém detektoru s fluorescenčním kalorimetrickým odhadem energie lze nakonec použít společnou energetickou škálu pro celý soubor dat.

Detekce spršky kosmického záření na Augeru
Popis
Detekce spršky kosmického záření na Augeru

Na rozdíl od energetické kalibrace je odhad hmotnosti primárních částic z podélných i příčných charakteristik atmosférických spršek zatížen značnou nejistotou při modelování hadronových interakcí, která vyplývá z extrapolace měření na LHC a dalších urychlovačích na mnohem vyšší energie a neprobádané fázové prostory. Stanovení hmotnostního složení má zásadní význam pro astrofyzikální interpretaci změn pozorovaných v energetickém spektru UHECR a směrech příletu. Proto je pro oblast UHECR nesmírně důležité vyvinout analýzy hmotnostního složení se sníženou citlivostí na systematické nejistoty v simulacích atmosférických spršek nebo studovat nedostatky moderních modelů hadronových interakcí.

Naše skupina se tímto tématem intenzivně zabývá a je autorem a spoluautorem několika metod, v nichž jsou data z povrchového a fluorescenčního detektoru využívána k určení hmotnostního složení s menšími systematickými nejistotami vyplývajícími z modelů hadronových interakcí a současně k odhalení chyb těchto modelů. Dále má skupina vedoucí postavení v oblasti měření energetických spekter pomocí Čerenkovovy techniky a rekonstrukce hloubky atmosférické produkce mionů pomocí podzemních mionových detektorů. Mezi další témata skupiny patří urychlení, šíření vesmírem a anizotropie ve směrech příchodu UHECR; vliv modifikací parametrů hadronové interakce na vývoj atmosférické spršky; aplikace strojového učení pro odhad charakteristik mionové sprškové složky; zlepšení rekonstrukce událostí a vývoj dalších metod rekonstrukce zaznamenaných událostí; hledání spršek s anomálními profily a exotických spršek směřujících vzhůru pomocí fluorescenčního detektoru. Podílíme se na práci společné skupiny pro určení složení UHECR v rámci spolupráce mezi Pierre Auger a Telescope Array experimenty.

Náš tým má hlavní podíl na tvorbě, rozšiřování, údržbě a dokumentaci univerzální knihovny pro simulaci vývoje atmosférických spršek, kterou Observatoř Pierra Augera používá v mnoha publikacích, doktorských pracích a probíhajících analýzách. Členové skupiny koordinují čtyři úkoly v rámci Observatoře Pierra Augera: fluorescenční detektor, fyziku atmosférických spršek, hmotnostní složení a Monte Carlo simulace.

Kromě toho v současné době zkoumáme původ sezónních variací v multimionových událostech pozorovaných blízkým detektorem NO𝜈A ve Fermilabu a odhady neviditelné energie a obsahu mionů z dat experimentu KASCADE.