Afbeelding tegoed: Fermilab
De 100ste detector voor de Pierre Auger-sterrenwacht is onlangs voltooid, waarmee de array de grootste kosmische-stralingsdetector ter wereld is. Als het eenmaal werkt, zou de detector in staat moeten zijn om enkele van de meest energetische deeltjes van de kosmische straling op te vangen - ze vallen slechts één keer per jaar in een gebied van 2,5 vierkante kilometer. Het mysterie van deze hoogenergetische deeltjes is dat astronomen geen idee hebben wat ze in het heelal zouden kunnen creëren. De langetermijnplannen voor het observatorium zijn om uiteindelijk tegen 2005 1.600 detectoren te hebben.
Met de voltooiing van zijn honderdste oppervlaktedetector, de Pierre Auger-sterrenwacht, in aanbouw in Argentinië, werd deze week de grootste kosmische straling luchtdouche-array ter wereld. Beheerd door wetenschappers van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, omvat het Pierre Auger-project tot nu toe een reeks detectors van 70 vierkante mijl die de meest gewelddadige en misschien wel meest raadselachtige processen in het hele universum volgen.
Kosmische stralen zijn buitenaardse deeltjes - meestal protonen of zwaardere ionen - die de atmosfeer van de aarde raken en cascades van secundaire deeltjes creëren. Terwijl kosmische straling de aarde met een reeks van energieën benaderen, dachten wetenschappers lang dat hun energie niet hoger mocht zijn dan 1020 elektronvolt, ongeveer 100 miljoen keer de protonenergie die haalbaar is in Fermilab's Tevatron, de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Maar recente experimenten in Japan en Utah hebben een paar van dergelijke ultrahoge energetische kosmische straling gedetecteerd, wat vragen oproept over wat buitengewone gebeurtenissen in het universum ze zouden kunnen hebben veroorzaakt.
'Hoe schept de natuur de voorwaarden om een klein deeltje tot zo'n energie te versnellen?' vroeg Alan Watson, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Leeds, VK, en woordvoerder van de Pierre Auger-samenwerking van 250 wetenschappers uit 14 landen. "Door deze ultrahoge energiedeeltjes terug naar hun bronnen te volgen, wordt die vraag beantwoord."
Wetenschappelijke theorie kan de bronnen van kosmische straling met lage en gemiddelde energie verklaren, maar de oorsprong van deze zeldzame kosmische straling met hoge energie blijft een mysterie. Om de kosmische mechanismen te identificeren die microscopische deeltjes produceren met macroscopische energie, installeert de Pierre Auger-samenwerking een array die uiteindelijk 1.600 oppervlaktedetectoren zal omvatten in een gebied van de Argentijnse Pampa Amarilla ter grootte van Rhode Island, nabij de stad Malarg? E, ongeveer 600 mijl ten westen van Buenos Aires. De eerste 100 detectoren onderzoeken al de zuidelijke hemel.
"Deze kosmische stralen met de hoogste energie zijn boodschappers uit het extreme universum", zegt Nobelprijswinnaar Jim Cronin van de Universiteit van Chicago, die samen met Watson het Auger-experiment bedacht. 'Ze vormen een geweldige kans voor ontdekkingen.'
Kosmische straling met de hoogste energie is uiterst zeldzaam en treft de atmosfeer van de aarde ongeveer één keer per jaar per vierkante mijl. Wanneer het in 2005 voltooid is, zal het Pierre Auger-observatorium ongeveer 1.200 vierkante mijl (3.000 vierkante kilometer) beslaan, waardoor wetenschappers veel van deze gebeurtenissen kunnen opvangen.
"Ons experiment gaat verder waar het AGASA-experiment is gebleven", zegt projectmanager Paul Mantsch, Fermilab, verwijzend naar het Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) -experiment in Japan. “Bij de hoogste energieën lijken de verbazingwekkende resultaten van de twee grootste experimenten met kosmische straling in conflict te zijn. AGASA ziet meer evenementen dan het HiRes-experiment in Utah, maar de statistieken van beide experimenten zijn beperkt. ”
Het Pierre Auger-project, genoemd naar de baanbrekende Franse natuurkundige die in 1938 voor het eerst lange luchtdouches observeerde, combineert de detectiemethoden die worden gebruikt in de Japanse en Utah-experimenten. Oppervlaktedetectoren staan op een afstand van 1,6 km van elkaar. Elke oppervlakte-eenheid bestaat uit een 4 meter hoge cilindrische tank gevuld met 3.000 gallons zuiver water, een zonnepaneel en een antenne voor draadloze overdracht van gegevens. Sensoren registreren de onzichtbare deeltjeslawines, die slechts microseconden eerder op een hoogte van zes tot twaalf mijl zijn geactiveerd, terwijl ze de grond bereiken. De deeltjesdouches treffen bijna gelijktijdig meerdere tanks.
Naast de tanks zal het nieuwe observatorium 24 HiRes-type fluorescentietelescopen bevatten die de zwakke ultraviolette gloed van luchtdouches in de lucht kunnen opvangen. De fluorescentietelescopen, die alleen kunnen worden bediend tijdens donkere, maanloze nachten, zijn gevoelig genoeg om het licht op te vangen dat wordt uitgestraald door een lamp van 4 watt die bijna zes mijl verder reist met bijna de lichtsnelheid.
'Het is echt prachtig dat we een hybride systeem hebben', zei Watson. 'We kunnen luchtdouches op twee manieren bekijken. We kunnen hun energie op twee onafhankelijke manieren meten. '
De Pierre Auger-samenwerking is bezig met het voorbereiden van een voorstel voor een tweede locatie van het observatorium, dat in de Verenigde Staten zal worden gevestigd. Met hetzelfde ontwerp als de Argentijnse locatie, zou de tweede detectorreeks de noordelijke hemel scannen naar de bronnen van de krachtigste kosmische straling.
De financiering voor de Pierre Auger-sterrenwacht van 55 miljoen dollar in Argentinië is afkomstig van 14 lidstaten. De VS dragen 20 procent bij aan de totale kosten, met ondersteuning van het Office of Science van het Department of Energy en de National Science Foundation. Een lijst van alle deelnemende instellingen is beschikbaar op http://auger.cnrs.fr/collaboration.html
Fermilab is een nationaal laboratorium dat wordt gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy, beheerd door Universities Research Association, Inc.
Oorspronkelijke bron: Fermilab News Release
