Космос в коробке из-под печенья. Как физик создал детектор частиц за 100 долларов

Космические частицы каждый день прошивают атмосферу Земли, и обычно их ловят огромные и дорогие установки. Но физик из Университета Делавэра Спенсер Акса́ни придумал способ сделать такую охоту почти карманной: его детектор CosmicWatch помещается в руке и, по сути, позволяет заниматься “космической физикой” не только крупным лабораториям, но и школьным кружкам.

Источники этих частиц находятся далеко за пределами Земли. Высокоэнергичные космические лучи рождаются в самых экстремальных событиях во Вселенной, например при вспышках гамма излучения и взрывах сверхновых. Когда такие лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, возникает каскад вторичных частиц. CosmicWatch как раз улавливает одну из них, мюоны. Каждый раз, когда мюон проходит через прибор, тот подает световой сигнал и записывает событие.

Главное в этой истории не только миниатюрность, но и цена. По данным университета, устройство собрано из электронных компонентов примерно на 100 долларов. Сам детектор по размеру сравнивают с небольшой коробкой печенья. Для науки это редкий случай, когда входной билет в “частичную” физику становится настолько доступным.

Акса́ни изначально задумывал CosmicWatch как недорогой учебный инструмент. Однако портативный формат неожиданно сделал его полезным и для реальных международных экспериментов в астрофизике. По словам автора, такие детекторы позволяют делать куда больше измерений при заметно меньших затратах, а компактность и переносимость открывают новые типы экспериментов и форматы популяризации науки.

Мюоны интересны не только как след космических катастроф. Поскольку эти частицы способны проходить через твердые объекты почти не отклоняясь, их используют и на Земле, чтобы “просвечивать” скрытые структуры. Один из известных примеров относится к 2016 году: с помощью мюонной съемки ученые обнаружили ранее неизвестный коридор в Великой пирамиде Гизы.

Обычно детекторы мюонов выглядят совсем иначе. Это крупные и недешевые системы, из за чего они почти всегда остаются в университетах и научных центрах. Акса́ни в университетском сообщении отмечал, что в типичной учебной лаборатории для таких измерений используют стойку электроники размером с небольшой книжный шкаф.

Проект начался в 2017 году, когда Акса́ни был аспирантом в MIT и хотел собрать маленький и маломощный мюонный детектор для обсерватории IceCube в Антарктиде. Когда выяснилось, что устройство можно сделать очень дешевым, идея переросла в образовательную инициативу. После перехода в Университет Делавэра в 2022 году он продолжил дорабатывать прибор и недавно представил третью версию, а также статью с описанием обновлений в журнале Journal of Instrumentation. Сообщается, что новая версия быстрее собирает данные, умеет следить за параметрами окружающей среды и выдерживает высокие уровни радиации.

Самое амбициозное направление сейчас связано с измерениями уже не вторичных, а первичных космических лучей. Разработку адаптируют для установки на ракеты и космические аппараты. Акса́ни утверждает, что за время существования проекта собрали уже тысячи таких детекторов, и он надеется, что это станет основой для глобальной “гражданской науки”, которая поможет лучше понять, что происходит в самых жестких уголках космоса.