Z čeho se skládá kosmické záření? Napoví přelomová metoda českého fyzika

Na naši planetu neustále dopadá kosmické záření. Částice o nejvyšších energiích pronikají do atmosféry pravděpodobně mnohem hlouběji, než se dosud předpokládalo, a budou tedy zřejmě i výrazně těžší. Nové poznatky vyplývají z metody, která zobecňuje přístup k předpovědím modelů srážek vesmírných částic se zemskou atmosférou. Jejím autorem je astročásticový fyzik Jakub Vícha z Fyzikálního ústavu AV ČR, který zkoumá nejenergetičtější částice přilétající z vesmíru pomocí dat z největšího současného experimentu na světě – Observatoře Pierra Augera v Argentině. Studii publikoval časopis Physical Review D.

Unikátní metoda posouvá vědu o krůček blíže k odhalení jedné z největších záhad fyziky: jaký je původ částic z vesmíru, které bombardují vzdušný obal planety Země. „Především u částic s nejvyšší energií stále nevíme, co by mohly být zdroje nejextrémnějších procesů ve vesmíru, které umožňují jejich vznik,“ vysvětluje Jakub Vícha.

Složení těchto částic se odhaduje pouze nepřímo, a to na základě měření sekundárních částic, které vznikají kaskádovitě po srážce primární kosmické částice s jádrem v atmosféře. Některé z těchto sekundárních částic, například miony, přitom dopadají až na zem. Mezi pozorováním a modelovými předpověďmi množství dopadajících mionů doposud panoval velký nesoulad.

Mezinárodní tým vědců využil unikátní data z měření Observatoře Pierra Augera a jedinečnou metodu Jakuba Víchy k předpovědím modelů hadronických interakcí, které ve sprškách probíhají.

„Naše interpretace měření poukázala na to, že spršky částic ultravysokých energií pravděpodobně pronikají mnohem hlouběji do atmosféry, než jsme si mysleli,“ vysvětluje Jakub Vícha. „Zároveň se ukazuje, že složení kosmického záření, které se právě nejčastěji určuje podle zmíněné pronikavosti spršek, může být i výrazně těžší a obsahovat více těžších jader,“ dodává vědec.

Nositel prémie Lumina quaeruntur za rok 2023 Jakub Vícha pracuje v oddělení astročásticové fyziky ve Fyzikálním ústavu AV ČR.

Čím převratnější myšlenka, tím větší odpor
Metoda výrazně zpřesnila popis naměřených dat. Zároveň poprvé jednoznačně prokázala neschopnost předchozích modelů popsat tato data spolehlivě. Astročásticoví fyzici tak zřejmě přehodnotí výsledky dosavadních publikovaných prací týkající se složení kosmického záření ultravysokých energií. 

Ve vědecké komunitě nový postup nejprve narazil na nedůvěru a odpor. Metodu českého vědce ověřovaly stovky astročásticových fyziků z Observatoře Pierra Augera, a to na celkem 2239 sprškách částic detekovaných zároveň fluorescenčním a povrchovým detektorem s energiemi mezi 3 a 10 EeV (exa elektronvolty).

„Byla období, kdy jsem cítil velkou deprivaci, že moje metoda není přijata, ale nebyl jsem schopen přijít na to, co dělám špatně. Byl jsem přesvědčen, že je všechno tak, jak má být, a nikdo také vlastně nenašel nějakou chybu v mém postupu,“ zdůrazňuje Jakub Vícha. Metodu nadále prosazoval i za podpory některých nejuznávanějších kolegů z oboru. „Říkali mi, že čím revolučnější výsledek, tím větší odpor vyvolá, chce to čas,“ dodává.

Při interpretaci dat kosmického záření ultravysokých energií se výzkumníci spoléhají na předpovědi modelů hadronických interakcí, které ovšem nepopisují naměřené vlastnosti spršek dostatečně spolehlivě. Tyto modely vznikly na základě poznatků z hadronových urychlovačů, jako je například LHC v CERN poblíž Ženevy. Nicméně nejenergetičtější kosmické částice přesahují dokonce hodnoty 100 EeV, což výrazně převyšuje možnosti zkoumání pozemských urychlovačů.

Vlastnosti hadronických interakcí se tedy musí v modelech extrapolovat na o mnoho řádů vyšší energie, což vnáší významnou systematickou nejistotu do interpretací měření kosmického záření. Nyní se ukazuje, že se modely musí zpřesnit mnohem komplexněji než jen generováním většího množství mionů, což je už samo o sobě dosti problematické.

V kosmickém záření ultravysokých energií se tedy zřejmě objevuje více těžších částic, jako jsou například jádra železa, což má zásadní vliv na hledání jejich zdrojů na nejvyšších energiích. Čím mají totiž částice větší náboj, tím více se zakřivují v magnetickém poli naší Galaxie, a tím je jejich směr příletu více vzdálený od směru jejich zdroje na obloze.

„Příroda je prostě daleko komplikovanější, než bychom chtěli, a ztěžuje tak naši snahu konečně odkrýt, odkud k nám tyto částice přilétají. Nicméně postupně zužujeme prostor možností a jednou se snad dočkáme odhalení, jak a kde tyto nejextrémnější procesy ve vesmíru probíhají,“ uzavírá Jakub Vícha. 

Poslechněte si Podcast Akademie věd S astročásticovým fyzikem Jakubem Víchou o kosmickém záření.

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy AV ČR
Foto: Pierre Auger Observatory; Anna Šolcová pro AV ČR

Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• V Praze odstartovala největší mezinárodní konference o materiálovém modelování
• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun
• Budoucnost energetiky: malé modulární reaktory jako zdroj čistší energie