Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 34 – vyšlo 9. září, ročník 9 (2011) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

34/2011

Experiment PAMELA – nalezení antiprotonů ve vnitřním Van Allenově pásu

Miroslav Horký

O sondě PAMELA zkoumající energetická spektra nabitých částic v kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. jsme již dvakrát informovali (AB 34/2006, AB 39/2009). Dnes se podíváme na nejnovější výsledky, a to na detekci antiprotonůAntiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. ve vnitřním Van Allenově pásuVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. v oblasti nad jihoatlantickou anomálií. Sonda PAMELA byla vynesena na oběžnou dráhu dne 15. června 2006 z kosmodromu BajkonurBajkonur – ruský kosmodrom, ze kterého se v roce 1957 vznesla první umělá družice Země – Sputnik 1 a v roce 1961 startoval první kosmonaut Jurij Alexejevič Gagarin. Po rozpadu Sovětského svazu leží Bajkonur na území nezávislého Kazachstánu, ale Rusko má s tamější vládou dohodu o pronájmu a využívání kosmodromu. Souřadnice kosmodromu: 63°25′ v. d., 47°22′ s. š. a data, ze kterých byl vyhodnocen výskyt antiprotonů, sbírala do prosince 2008.

Experiment PAMELA na družici Resurs-DK1.

PAMELA – sonda pro zkoumání částic kosmického záření. Název vznikl jako zkratka z anglického Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics. Detektor PAMELA byl umístěn na palubě ruské družice Resurs-DK1. Dne 15. června 2006 navedla nosná raketa Sojuz družici na eliptickou dráhu ve výšce mezi 350 až 610 km. Na vývoji sondy se podíleli vědci z Itálie, Německa, Ruska, Švédska, USA a Indie. Antiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. Van Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. McIlwainovy souřadnice – dvě souřadnice popisující polohu v zemském magnetickém dipólu. První je L souřadnice – popisuje tzv. slupku. Jde o všechny silokřivky, které se od Země vzdálí v oblasti magnetického rovníku právě do L-násobku poloměru Země. Druhá je B souřadnice – magnetická indukce velikosti pole v nanoteslách. Souřadnice zavedl Carl McIlwain, jeden z doktorandských studentů Van Allena.

Jihoatlantická anomálie

Jihoatlantická anomálie se nachází nad Jižní Amerikou a Atlantickým oceánem mezi pobřežími Jižní Ameriky a Afriky. Jde o místo, kde se vnitřní radiační pás nejvíce přibližuje k Zemi. Právě touto zajímavou oblastí prochází oběžná trajektorie sondy PAMELAPAMELA – sonda pro zkoumání částic kosmického záření. Název vznikl jako zkratka z anglického Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics. Detektor PAMELA byl umístěn na palubě ruské družice Resurs-DK1. Dne 15. června 2006 navedla nosná raketa Sojuz družici na eliptickou dráhu ve výšce mezi 350 až 610 km. Na vývoji sondy se podíleli vědci z Itálie, Německa, Ruska, Švédska, USA a Indie.. V jihoatlantické anomálii je nejslabší magnetické pole Země (viz model NOAANOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration. Americká federální organizace pro sledování oceánů a atmosféry. Její kořeny sahají až do roku 1807. Dnes má za úkol nejenom sledování počasí a klimatických změn, ale i výzkum kosmického počasí, vztahu Země a Slunce a výzkum oceánů. K tomu využívá NOAA velké množství družic. na obrázku), což je příčinou přiblížení radiačního pásu k Zemi.

„Vrstevnice“ spojující místa se stejnou velikostí magnetického pole při povrchu Země.
Pole mezi sousedními liniemi se liší o 1 000 nT. Model NOAA.

Zobrazení jihoatlantické anomálie získané v rentgenovém oboru družicí ROSATROSAT – ROentgen SATellite. Německá rentgenová družice vypuštěná NASA v roce 1990. Hlavním přístrojem byl čtyřvrstvý zrcadový dalekohled o průměru 83 cm a ohniskovou vzdáleností 240 cm. Přístroj byl schopen pracovat v energetickém oboru (0,1÷2) keV s úhlovým rozlišením až 40′. Družice pracovala do roku 1999.. Zdroj: ROSAT.

Detekce antiprotonů

Během zhruba 850 dnů měření v oblasti jihoatlantické anomálie došlo k 28 případům detekce antiprotonuAntiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. o energii z intervalu 60÷750 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.  (měření probíhalo v McIlwainových souřadnicíchMcIlwainovy souřadnice – dvě souřadnice popisující polohu v zemském magnetickém dipólu. První je L souřadnice – popisuje tzv. slupku. Jde o všechny silokřivky, které se od Země vzdálí v oblasti magnetického rovníku právě do L-násobku poloměru Země. Druhá je B souřadnice – magnetická indukce velikosti pole v nanoteslách. Souřadnice zavedl Carl McIlwain, jeden z doktorandských studentů Van Allena. 1,1< L <1,3 a B < 0,216). První z níže uvedených obrázků ukazuje tok antiprotonů v závislosti na energii. Druhý pak poměrný počet antiprotonů vzhledem k protonům.

Graf znázorňující tok antiprotonů zachycených v radiačním pásu nad jihoatlantickou anomálií v závislosti na energii (červené body). Teoreticky vypočtená hodnota pro dráhu PAMELY je zakreslena černou křivkou. Tečkovaná čára znázorňuje teoretický předpoklad toku antiprotonů na slupceMcIlwainovy souřadnice – dvě souřadnice popisující polohu v zemském magnetickém dipólu. První je L souřadnice – popisuje tzv. slupku. Jde o všechny silokřivky, které se od Země vzdálí v oblasti magnetického rovníku právě do L-násobku poloměru Země. Druhá je B souřadnice – magnetická indukce velikosti pole v nanoteslách. Souřadnice zavedl Carl McIlwain, jeden z doktorandských studentů Van Allena. L = 1,2. Pro porovnání je uveden tok antiprotonů mimo jihoatlantickou anomálii (modré kroužky) a tok antiprotonů z galaktického kosmického záření (černé čtverečky). Zdroj: [1].

Graf znázorňující poměr antiprotonů k protonům v závislosti na energii v oblasti jihoatlantické anomálie (červené body). Teoreticky předpokládaný poměr je znázorněn černou křivkou. Pro porovnání je vynesen také poměrný počet antiprotonů v galaktickém kosmickém záření (černé čtverečky). Zdroj: [1].

Jak je vidět, naměřené hodnoty toku antiprotonůAntiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. jsou o dva řády nižší než teoreticky předpokládané. Důvod proč tomu tak je, není zatím známý, jelikož se jedná o první pozorování antiprotonů ve vnitřním radiačním pásu. Zároveň je z grafu vidět, že hodnoty toku antiprotonů v galaktickém kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. jsou o tři řády nižší než hodnoty naměřené v radiačním pásu. Radiační pásy totiž fungují jako magnetická past a zachycují částice i antičástice vzniklé interakcí kosmického záření s ionosférouIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³..

Závěr

Vědci vyhodnocující data ze sondy PAMELA tedy zaznamenali první pozorování antiprotonů o energiích nižších než 750 MeV v radiačním pásu okolo Země a potvrdili tak teoretické předpoklady, i když naměřené hodnoty jsou nižší, než se čekalo. Vzhledem k tomu, že zjištěné hodnoty toku antiprotonů v radiačním pásu překračují o tři řády hodnoty toku antiprotonů z kosmického záření, jedná se o největší zdroj antiprotonů v blízkosti Země. Jistě bude zajímavé sledovat další výsledky související s tímto objevem a potažmo celým experimentem.

Animace týdne: Van Allenovy pásy

Van Allenovy radiační pásy. Pásy jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 4 R_Z . V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující hmotnější částice. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrons) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Pásy objevil James Van Allen z University of Iowa na základě měření družic Explorer 1 a 2. Jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. (avi/xvid, 7 MB)

Odkazy