Revista >> Aprilie 2023 [Nr. 253] >> Cercetare & Invatamant superior

Aportul cercetării românești la cel mai mare experiment internațional de studiere a radiației cosmice

Daniel Butnariu

12 Aprilie 2023

Institutul de Științe Spațiale (ISS) este integrat de mai bine de un deceniu în colaborarea internațională care gestionează Observatorul Pierre Auger din Argentina, cea mai amplă instalație experimentală din lume de detecție și măsurare a radiațiilor cosmice de energie ultra-înaltă. Contribuția ISS în cadrul acestei inițiative de cercetare se înscrie în eforturile constante de creștere organică a expertizei naționale în fizica astroparticulelor, domeniu de avangardă aflat la intersecția dintre fizica nucleară, astronomie, cosmologie și alte arii de înaltă specializare dedicate deslușirii misterelor universului. Între proiectele asumate de ISS în domeniul astroparticulelor, colaborarea Pierre Auger se concentrează pe evenimente de radiații cosmice cuprinse într-un interval de energie între 1017 eV până la maximum 1021 eV, după cum explică dr. Paula-Gina Isar, cercetător științific gradul II la ISS. Comunitatea științifică internațională încă nu a ajuns la un consens cu privire la originea acestei game de radiații cosmice de energie ultra-înaltă care se manifestă cu o frecvență extrem de redusă – se estimează că radiațiile cosmice cu energii peste 1019 eV ajung pe Pământ într-un ritm de 1 particulă/km2/an; pentru astroparticule cu energie mai mare de 1020 eV, frecvența evenimentelor este de 1 particulă/km2/secol! Drept urmare, aria experimentală a Observatorului Pierre Auger acoperă în prezent o suprafață de 3.000 km2, dar sunt deja luate în calcul aplicații prin care acest fenomen cosmic de mare interes să fie urmărit la scară globală.

Un exercițiu de imaginație: se ia suprafața municipiului București și se înmulțește cu 10; pe această arie care depășește în practică teritoriul statului Luxemburg se instalează 1.660 de unități de detecție aflate la o distanță de 1,5 km una de cealaltă, iar la granițele acestui spațiu sunt ridicate încă patru instalații specializate; plasează apoi toată această infrastructură într-o schemă distribuită de control, astfel încât să poți gestiona totul de la mii de kilometri distanță. Din România, de pildă, aflată la 13.000 km depărtare de această vastă construcție.
Doar că acesta nu este un produs al imaginației, ci chiar realitatea întruchipată de Observatorul Pierre Auger, un uriaș senzor asemănător celui dintr-o cameră foto digitală, dar cu obiectivul îndreptat spre cer. Localizat pe un platou din vestul Argentinei, la poalele Anzilor, observatorul poartă numele fizicianului francez Pierre Victor Auger, una dintre personalitățile de referință din domeniul fizicii astroparticulelor, cu o contribuție semnificativă în studierea jerbelor de radiație cosmică. Aceste jerbe („air showers”) sunt evenimente atmosferice apărute în urma coliziunii particulelor cosmice primare din surse galactice sau extra-galactice cu atomi și molecule din atmosferă, dând naștere unor particule secundare care sunt identificate prin diverse tehnici de detecție. Practic, Observatorul Pierre Auger permite studierea indirectă a radiației cosmice primare prin intermediul particulelor secundare care ajung la sol.

Partener de elită
ISS și-a dovedit de-a lungul timpului expertiza în domeniul astroparticulelor în cadrul mai multor proiecte de anvergură, cum este KM3Net, inițiativă internațională de detectare a radiației cosmice neutre cu ajutorul unor instalații specializate plasate în trei sectoare din Marea Mediterană. Chiar și în nișa particulelor cu energie ultra-înaltă, institutul a integrat eforturile naționale de cercetare prin proiectul COSAT (Pilot study of Ultra-high energy COsmic rays through their Space-ATmospheric interactions), derulat în perioada 2013-2015 în parteneriat cu Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronica INOE 2000. Totuși, la scară internațională, implicarea ISS în colaborarea Pierre Auger rămâne un reper de performanță într-un domeniu de avangardă în cercetarea fundamentală.
Experimentele efectuate la începutul secolului trecut de Theodor Wulf și Victor Franz Hess au pus bazele studiului radiației cosmice, însă domeniul a înregistrat un avânt considerabil în ultimele decenii, odată cu lansarea unor instalații experimentale tot mai ambițioase, în medii diverse: la sol, în apă, sub gheață (laPolul Sud). De la cercetările pentru observarea jerbelor cosmice desfășurate în Germania, la Karlsruhe, pe o suprafață redusă (experimentul
KASCADE-Grande: Karlsruhe Shower Core and Array Detector), într-o gamă de energie de până la 1018 eV, s-a ajuns la instalațiile de mari dimensiuni din Statele Unite ale Americii (Telescope Array – 700 km2) și Argentina (Observatorul Pierre Auger).
„Experimentul KASCADE-Grande a avut o contribuție foarte importantă în domeniul radiațiilor cosmice, acolo s-au dezvoltat foarte mulți cercetători, fiind o școală internațională de înalt nivel, inclusiv pentru mine”, spune Paula-Gina Isar, care a dobândit în cadrul proiectului LOPES (A LOfar PrototypE Station), colocalizat acestui experiment titlul de doctor, cu o contribuție în detecția fenomenului prin intermediul undelor radio. „De altfel, cu sprijinul colegilor de la Karlsruhe Institute of Technology (KIT), România a devenit țară asociată în colaborarea Pierre Auger în 2012, iar după o perioadă de evaluare de doi ani, am devenit membru cu drepturi depline.”

Telescop pentru înțelegerea universului
Observatorul Pierre Auger apelează la tehnici complementare de detecție a jerbelor cosmice, profitând de suprafața amplă a experimentului pentru a estima cât mai precis direcția, masa și energia particulelor cosmice primare.
În conformația hibridă a observatorului, cea mai extinsă rețea de detectori este reprezentată de cele 1.660 de tancuri de apă, fiecare având 12 tone de apă pură reținută într-un balon închis ermetic, depozitat într-un rezervor de polietilenă. Balonul este decupat în trei locuri pentru a face loc unui set de fotomultiplicatori care captează și transformă în semnal electric lumina Cerenkov, adică radiația electromagnetică emisă la trecerea unei particule încărcate electric printr-un mediu (apa) cu o viteză mai mare decât viteza luminii în acel mediu. „Aceste tancuri cu apă sunt instalații autonome, statice, care nu sunt perturbate de niciun fel de interferențe atmosferice”, explică Paula-Gina Isar. „Fiecare tanc cu apă este identificat în teritoriu cu ajutorul unei antene GPS, astfel că în funcție de poziționarea tancurilor putem reconstitui direcția și caracteristicile unei jerbe cosmice care lasă semnal într-un anumit sector.”
Operaționalitatea tancurilor este asigurată de o soluție hibridă, baterii și panouri solare, iar în prezent este în derulare un proiect de optimizare a acestei infrastructuri prin echiparea cu un kit nou de electronică, instalarea unui detector scintilator și a unei antene radio deasupra fiecărui tank cu apă pentru a asigura colectarea semnalului cu o mai mare rapiditate și precizie. „Această îmbunătățire ne ajută să diferențiem între electronii și miuonii înregistrați la sol, ceea ce susține estimarea cu mai mare acuratețe a masei particulei primare care inițiază jerba în atmosferă”, spune Paula-Gina Isar. „În evoluția jerbei cosmice, particule secundare se multiplică până la o energie critică, care se împarte la fiecare particulă rezultantă: unele sunt absorbite imediat în atmosferă sau au un timp de viață foarte scurt și dispar rapid, iar altele au o durată mai lungă, precum miuonii, care permit acestor particule să ajungă la sol și chiar să pătrundă în scoarța terestră. Tocmai de aceea, în cadrul experimentului avem o mini-arie de detecție cu senzori scintilatori amplasați subteran, la 2.3 metri sub pământ, pentru a măsura în mod direct miuonii rezultați din aceste jerbe, corelând după aceea datele cu cele colectate prin intermediul detectoarelor de la suprafață.”
Spre deosebire de tancurile de apă care nu au nevoie de asistență continuă din partea utilizatorilor, telescoapele optice ale Observatorului Pierre Auger sunt cele mai sensibile echipamente ale experimentului. Aceste telescoape sunt instalate în patru amplasamente diferite la granița spațiului experimental, fiecare unitate având câte șase ochiuri de telescop capabile să detecteze lumina fluorescentă (într-o lungime de undă UV (300-400 nm) invizibilă ochiului omenesc) degajată în urma ionizării moleculelor din aer de către particulele secundare de radiație cosmică încărcate electric (electroni, pozitroni). La cele 24 de ochiuri de telescop se adaugă încă trei, care monitorizează atmosfera la un unghi de înclinare și mai mare decât celelalte telescoape.
„Telescoapele funcționează doar pe timp de noapte, fără lună plină, iar operarea lor are loc în baza unui calendar care ține cont de fazele lunii, dar și în conexiune cu condițiile meteo specifice, observabile cu ajutorul unor stații meteo și sisteme LIDAR”, precizează Paula-Gina Isar. „Ferestrele telescoapelor sunt deschise doar pe timpul măsurătorilor, iar operarea lor se face de la distanță. Există manuale de utilizare, dar nu toate situațiile concrete pot fi cuprinse într-un ghid, de aceea există condiții stricte pentru operarea experimentului: să fii la doctorat sau cercetător senior, să cunoști toate detaliile tehnice și să fi condus cel puțin o dată experimentul de la centrul local din Argentina. Este nevoie de multă responsabilitate, să iei decizii corecte în timp util și în mod eficient.”
Pentru echipa ISS alcătuită din Paula-Gina Isar și Dragoș Hîrnea, prima tură de operare la distanță a telescoapelor optice și a sistemelor LIDAR a avut loc în vara anului 2019, responsabilitate onorată fără incidente, astfel că în august 2020 o tură completă de operare a Observatorului Pierre Auger a fost încredințată în premieră unei echipe din România, alcătuită din specialiștii ISS și cei ai Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei”.

Investiții în optimism și curiozitate
Pe cât de importantă este partea de operare a experimentului Pierre Auger, pe atât de vitală este colectarea unor date precise și analiza lor. Iar aceste date nu se limitează la domeniul astroparticulelor, după cum atrage atenția Paula-Gina Isar: „Datele culese în domenii diferite sunt stocate în medii distincte, dar sunt corelate pentru a valida sau nu un eveniment. Avem chiar și baze de date cu monitorizarea atmosferei, pentru că tot experimentul are loc în aer liber, drept urmare avem nevoie de informații despre condițiile meteo (temperatură, umiditate, presiune atmosferică), la care se adaugă date legate de acoperirile cu nori, stratul de aerosoli pentru observațiile în domeniul optic al telescoapelor. În consecință, evoluția jerbelor cosmice are loc pe înălțimi de până la cca. 10 km față de nivelul solului, așa că regimul de observare depășește un eventual plafon de nori.”
Pentru a susține operarea la distanță a Observatorului Pierre Auger, dar și gestiunea datelor înregistrate, ISS a implementat o serie de proiecte care, pe lângă resursa umană, au asigurat și baza logistică a acestor activități, astfel că în prezent institutul dispune de o cameră de comandă cu trei calculatoare și zece monitoare care se conformează standardului asumat de partenerii din cele 18 țări reprezentate în colaborare (Argentina, Australia, Belgia, Brazilia, Columbia, Cehia, Franța, Germania, Italia, Mexic, Olanda, Peru, Polonia, Portugalia, Slovenia, Spania, SUA și România). În plus, centrul de date al institutului are un spațiu dedicat de procesare și stocare a datelor experimentului Pierre Auger, înregistrat în cadrul Organizației Virtuale (VO) Auger Grid.
Dar povestea nu se termină aici. Dincolo de pașii făcuți până acum, experimentul reflectă efervescența cu care se hrănește un domeniu nou și dinamic: experimentele radio pentru înregistrarea și evaluarea jerbelor cosmice efectuate în cadrul KASCADE-Grande își găsesc o nouă expresie, mai amplă și ambițioasă, în colaborarea Pierre Auger. „Pe baza experienței de la Karlsruhe, am adoptat din 2012 antenele radio în cadrul unui proiect-pilot, Auger Engineering Radio Array, profitând astfel de o nouă tehnică de detecție validată în 2010 pe baza unui fenomen cunoscut de mai bine de 40 de ani”, spune Paula-Gina Isar. „În cadrul optimizărilor și imbunătățirilor care asigură operabilitatea Observatorului Pierre Auger pentru următorul deceniu, cunoscut sub denumirea ‘AugerPrime’, fiecare detector cu apă va fi echipat cu o antenă radio, activă în banda 30-80 MHz, iar întregul proiect ar trebui să fie finalizat până la sfârșitul acestui an.”
Mai mult decât atât, pentru a deschide această inițiativă științifică către o audiență cât mai largă, colaborarea Pierre Auger a publicat recent un catalog cu cele mai energetice 100 de evenimente măsurate în primii 20 de ani de activitate a observatorului, dar și ghiduri instructive pentru interpretarea corectă a acestor date, care se alătură datelor deschise Auger, iar pe baza acestei resurse deschise de informații și date au apărut deja articole independente de cele elaborate de cei 450 de oameni de știință seniori implicați în experiment.
Dar, cu toată anvergura inițiativei, nu este exclus ca într-un viitor nu foarte îndepărtat Observatorul Pierre Auger să devină un fel de mini-colaborare precum pare astăzi experimentul KASCADE-Grande: dincolo de proiectele care pun în discuție observarea astroparticulelor la nivel gloval sau direct din spațiu, este luat în considerare și un concept de utilizare a camerelor foto instalate pe telefoanele mobile pentru detectarea jerbelor cosmice în cadrul unei aplicații publice care să fructifice deja la nivel global interesul pentru avansul științelor.
Însă pentru a ajunge la un asemenea angajament public este nevoie ca efortul de comunicare al inițiativelor științifice să fie amplificat, ceea ce explică în bună măsură decizia asumată de Paula-Gina Isar de a se implica în activitățile de popularizare și conștientizare a importanței studiului astroparticulelor. Astfel, rezultatele înregistrate la Observatorul Pierre Auger au devenit bază de pornire pentru primul eveniment din seria Masterclass Internațional 2023, organizat simultan în România și Portugalia pe 18 martie. Elevii participanți au avut ocazia să urmeze lecții introductive despre fizica particulelor și astroparticulelor, să urmărească experimente dedicate și să parcurgă o sesiune practică de analiză de date. În plus, în cadrul evenimentului a fost organizat un tur virtual al facilităților Observatorului Pierre Auger.

Pe plan național, domeniul astroparticulelor și-a găsit de asemenea o expresie artistică prin intermediul unei colaborări interdisciplinare care a dat naștere unor creații multimedia și unor picturi expresive care aduc misterele universului la nivelul percepției intuitive pentru publicul larg.