Научное оборудование, предназначенное для работы с элементами микромира, обычно сложное и дорогое. Давно прошли те времена, когда ученый при помощи самодельного аппарата из металла, дерева и бечевы мог сделать фундаментальное открытие. Над созданием некоторых систем работают даже не целые институты, а страны, как это происходило в случае с Большим адронным коллайдером.
Спрос на научное оборудование растет, поскольку исследователи проводят все больше экспериментов, да и сами эксперименты становятся сложнее. Это актуально для любых направлений науки, включая физику элементарных частиц. Атмосферу Земли пронизывает высокоэнергетическое космическое излучение, испускаемое далекими Сверхновыми и другими астрофизическими объектами. Когда это излучение проникает в атмосферу планеты, частицы высоких энергий распадаются на мюоны — заряженные микрочастицы, масса которых немногим превышает массу электрона.
Существуют мюоны доли секунды, но их все же можно обнаружить. Некоторые из них могут проходить через скалы или лед, погружаясь на глубину в несколько километров.
Наблюдение за этими частицами дает науке многое. Но физики далеко не везде и не всегда имеют возможность вести наблюдение. Дело в том, что традиционные детекторы очень громоздки, и перевозить их попросту невозможно. Эту проблему попытались решить ученые из MIT, создавшие портативный детектор мюонов. Устройство состоит из обычных электронных компонентов. Когда мюон проходит через аппарат, тот активируется. Стоимость системы — всего $100, что доступно уже не только институтам, но и отдельным преподавателям или даже студентам.
Все началось с идеи, возникшей у аспиранта MIT, который предложил создать относительно простое и дешевое устройство для обнаружения мюонов. Спенсер Аксани (Spencer Axan), так зовут аспиранта, нашел единомышленников и приступил к реализации проекта, получившего название CosmicWatch. Как только детектор был готов, участники проекта создали сайт, где и были выложены инструкции по созданию такого устройства. На этом ресурсе показаны все компоненты гаджета, плюс есть подробная информация по сборке системы, ее калибровки и эксплуатации. Согласно подсчетам авторов проекта, на сборку аппарата у обычного человека, не слишком хорошо знакомого с электроникой, может уйти около четырех часов.
Детектор такого типа может обнаруживать мюоны практически в любых местах, хоть под землей, хоть в стратосфере. Команда проекта уже построила около 100 детекторов, которые были предоставлены школам и колледжам. Кроме того, авторы идеи используют их и в своих целях, ведя наблюдение за мюонами. Делается это не только в лаборатории, но и, например, на станции подземки. В частности, студенты протестировали аппарат в метро Бостона. Цель подземного мониторинга — посмотреть, насколько глубоко частицы могут проникнуть под землю.
Изначально Аксани хотел создать миниатюрную систему, которая служила бы в качестве вспомогательного инструмента для IceCube — огромного детектора, скрытого подо льдом на Южном Полюсе. Затем коллеги посоветовали аспиранту разработать миниатюрный детектор мюонов, который можно было бы использовать в качестве элемента сети более крупного детектора. То есть речь шла о создании составного детектора из мелких элементов.
Основная рабочая часть детектора частиц — фотоумножитель. Обычно это довольно массивный элемент, который не слишком подходит для портативного устройства. Стационарные детекторы требуют большого количества энергии, поэтому для них нужны аккумуляторы, тоже немаленькие. Аксани пришлось решать и эту проблему. Третья проблема — цена. Как уже говорилось выше, стоимость научного оборудования обычно высокая, поэтому для массового распространения устройств такого рода устройств они должны быть не слишком дорогими.
Аспирант обратился за помощью к коллегам, и совместными усилиями им удалось решить все три проблемы. Вместо обычного фотоумножителя в аппарате был использован кремниевый SensL, в качестве управляющего блока ученые взяли Arduino Nano. Корпус был напечатан на 3D принтере. Также была создана кастомная плата, где размещены все электронные компоненты. Размеры получившегося устройства не превышали размер мобильного телефона.
Наборы деталей были предоставлены студентам Варшавского университета, а также учащимся других институтов и университетов в других странах мира.
Результаты наблюдений были очень интересными. Как оказалось, на поверхности земли, на уровне моря, мюоны регистрируются каждые две секунды. В самолете — в 50 раз чаще. Под землей — гораздо реже. Сейчас коллеги Аксани рассматривают возможность создания детектора для суборбитальной ракеты.
Еще один способ применения миниатюрных детекторов — создание системы для мюонной томографии. Эта технология используется для изучения материала, окружающего детектор. Например, это может быть горная порода или строительные материалы (как в случае с пирамидой Хеопса).
Возможно, карманные мюонные детекторы можно будет использовать для картирования помещений или полостей в горных породах. Если хорошо подумать, то способов применения этой технологии достаточно много. И основа — карманный детектор мюонов, разработанного аспирантом из MTI.
Автор: Максим Агаджанов
