Twój smartfon poszuka ciemnej materii – dzięki polskim naukowcom

W swojej kieszeni masz narzędzie do badań Wszechświata. To Twój smartfon. Dzięki aplikacji polskich naukowców możesz wykorzystać go do detekcji promieniowania kosmicznego i poszukiwań ciemnej materii. W ten sposób weźmiesz udział w największej współpracy naukowej na świecie! To prostsze, niż myślisz.

W każdej sekundzie miliardy cząstek pochodzących z kosmosu wpadają w ziemską atmosferę z prędkościami bliskimi prędkości światła. Nad naszymi głowami zderzają się z cząsteczkami gazów, powodując powstanie miliardów następnych cząstek, takich jak elektrony, fotony i miony, które docierają do powierzchni Ziemi. W tym momencie te cząstki przechodzą również przez Ciebie, choć tego zupełnie nie czujesz. Jest to tak zwane promieniowanie kosmiczne, które towarzyszy człowiekowi od zawsze i jest naturalnym elementem naszego środowiska.

Promieniowanie to jest jednym z ważniejszych źródeł informacji o naszym Wszechświecie. Z tego właśnie powodu od 100 lat fizycy dokładnie je badają, łowiąc swoimi detektorami cząstki docierające do nas z kosmicznej próżni. Najbardziej interesujące są cząstki posiadające ekstremalnie wysokie energie, miliony razy przekraczające te, które można uzyskać w CERN pod Genewą. To tak, jakby cała energia dobrze zaserwowanej piłki tenisowej zgromadzona została w niewidocznej gołym okiem cząstce elementarnej o rozmiarach mniejszych od atomu. Te kosmiczne petardy są fascynujące głównie z tego powodu, że tak naprawdę nie do końca potrafimy wyjaśnić, skąd się biorą. Być może z aktywnych jąder galaktyk? A może są one efektem rozpadu ciemnej materii, czyli tajemniczego składnika Wszechświata, o którym wiemy niezwykle mało? I właśnie ta ostatnia możliwość jest coraz częściej brana pod uwagę przez naukowców.

Dobrym pomysłem na badanie ciemnej materii jest więc złapanie jak największej liczby wysokoenergetycznych cząstek docierających z kosmosu, sprawdzenie jak często i kiedy się pojawiają i skąd do nas dolatują. Nie jest to jednak takie proste. Po pierwsze kosmiczne petardy zdarzają się bardzo rzadko. Po drugie, gdy taka wpadnie w atmosferę, powoduje powstanie ogromnej liczby następnych cząstek, które w postaci wielkich kaskad promieni kosmicznych rozbiegają się po obszarze dziesiątków, a nawet setek kilometrów kwadratowych. Jeszcze ciekawsze byłoby równoczesne zarejestrowanie takich kaskad w znacznie odległych od siebie miejscach. Tylko olbrzymi detektor pokrywający swoim zasięgiem obszar wielkości Polski lub Europy, a najlepiej całego globu, miałby szansę takie zdarzenia zarejestrować. Póki co taki nie powstał i jest mała szansa, że kiedykolwiek naukowcy się go doczekają.

Nie wszystko jednak stracone. Gęstą i rozległą sieć gotową wykryć wielkie kaskady promieni kosmicznych można zbudować za pomocą smartfonów, które wykorzystując światłoczułą matrycę, również mogą sprawnie wykrywać cząstki docierające z kosmosu. I tu potrzebne jest Twoje wsparcie, bo i Ty taki smartfon nosisz w kieszeni. Aby pomóc naukowcom w ich poszukiwaniach (i jednocześnie mieć poczucie, że bierzesz udział w naprawdę doniosłym, międzynarodowym projekcie naukowym), wystarczy dołączyć do projektu CREDO, zainicjowanego przez polskich fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. W tym celu wystarczy pobrać darmową aplikację z Google Play (czyli na telefon z Androidem). Zadaniem projektu jest zebranie danych z jak największej liczby dużych i małych detektorów istniejących na Ziemi, aby następnie przeanalizować je razem. Ważnym elementem tej sieci są również smartfony.

Jak to działa?

Aplikacja CREDO Detector przemieni Twój telefon w detektor promieniowania kosmicznego, który działa najskuteczniej, gdy smartfon leży poziomo i gdy jest podłączony do ładowarki, czyli np. gdy śpisz. Ważne, też by kamery były dobrze zasłonięte, np. kawałkiem czarnej taśmy klejącej, a powiadomienia sygnalizowane miganiem diod wyłączone. Jeżeli przez światłoczułą matrycę w telefonie przeleci cząstka promieniowania, pobudzi ona kilka pikseli, co zostanie zauważone przez program, który wyśle informację do serwera w Krakowie. Dzięki modułowi GPS będzie wiadomo również, gdzie i kiedy zdarzenie miało miejsce.

Wszystkie dane z tysięcy smartfonów zostaną następnie razem przeanalizowane w poszukiwaniu oznak wysokoenergetycznych cząstek lub, co bardziej ekscytujące, ich grup. Jeżeli takie zostaną znalezione, z pewnością się o tym dowiesz. Co ważne, aplikacja może również działać bez karty SIM, wystarczy dostęp do internetu. Oznacza to, że będzie można „zatrudnić” nasze stare urządzenia, których do tej pory nie pozbyliśmy się ze względu na sentyment, a które już nam nie służą – teraz mogą się przydać do odkrywania tajemnic Wszechświata!

Ślady cząstek rejestrowane przez smartfony. Źródło: CREDO Project

Wszystkie zarejestrowane przez smartfony ślady cząstek już teraz można oglądać na stronie internetowej projektu CREDO, gdzie m.in. każdy ma możliwość porównania swoich danych z wynikami z innych detektorów. Najczęściej wyglądają one niepozornie, jak krótkie linie lub plamki złożone z kilku pobudzonych pikseli. Ich wielkość i kształt zależy od rodzaju i energii schwytanej cząstki oraz od kierunku, z którego nadleciała. Te małe kropki i „przecinki” mają jednak olbrzymie znaczenie dla naukowców.

W zależności od modelu posiadanego smartfona na swoją pierwszą detekcję możemy czekać nawet parę godzin, ale czasem już po kilku minutach uda nam się uchwycić swoją pierwszą cząstkę. Czas „połowu” zależy głównie od wielkości matrycy CCD w telefonie. Im większa, tym częściej w naszą sieć wpadnie jakaś cząstka.

Jeśli projekt ma się udać, ochotników udostępniających swoje smartfony dla nauki musi być naprawdę wielu, nawet setki tysięcy, a może i więcej. Oznacza to konieczność zorganizowania największej współpracy naukowej na świecie. Ale innej drogi realizacji proponowanej strategii nie ma – im więcej detektorów, tym większe szanse na zauważenie rozproszonych kaskad promieni kosmicznych. Być może uda nam się dzięki temu dowiedzieć czegoś nowego o kosmosie, a może nawet potwierdzić istnienie cząstek ciemnej materii?

Projekt CREDO nie ogranicza się do badań astrofizycznych. Gdyby udało się skonstruować globalną sieć detektorów promieniowania kosmicznego, można by prowadzić również badania geofizyczne. Autorzy projektu chcą np. zweryfikować hipotezę o istnieniu związku pomiędzy zmianami natężenia promieniowania kosmicznego a trzęsieniami ziemi. Może brzmi to jak science fiction, ale taka hipoteza jest faktycznie omawiana w fachowej literaturze i po raz pierwszy będzie okazja ją przetestować.

Smartfonowe obserwatorium to istny ocean możliwości i fascynująca przygoda naukowa, w którą warto się włączyć. Bo nawet śpiąc, można pracować dla światowej nauki.

Niezbędne linki:

Więcej o projekcie CREDO: http://credo.science

Strona aplikacji, blog i forum dla użytkowników:

http://credo.science/credo-detector-mobile-app/

Dotychczasowe wyniki działania aplikacji: https://api.credo.science/

Aplikacja do pobrania na Google Play:

https://play.google.com/store/apps/details?id=science.credo.credomobiledetektor