Kozmické žiarenie ultra vysokých energií
JEM-EUSO detektor
Prekurzor experimenty EUSO balón | EUSO-SPB | Mini-EUSO | TA EUSO


Slovenská účasť v JEM-EUSO experimente

Slovensko je členom JEM-EUSO kolaborácie od roku 2008. K Ústavu Experimentálnej Fyziky Slovenskej Akadémie Vied (ÚEF SAV) sa v roku 2015 pridala Technická Univerzita v Košiciach (TUKE).

V prípravnej fáze JEM-EUSO experimentu je ÚEF SAV zodpovedný za viacero úloh, z ktorých hlavné sú vývoj modelu UV pozadia na nočnej strane Zeme a určenie operačnej efektívnosti JEM-EUSO experimentu. Skupina z TUKE sa venuje najmä vývoju metód na rozpoznanie spŕšok v meraniach JEM-EUSO experimentu.

Pri odhade operačnej efektívnosti experimentu sa určuje podiel času počas ktorého bude detektor monitorovať UV žiarenie z celkového času stráveného na orbite. Pretože slnečné svetlo v UV oblasti registrovanej detektorom intenzitou prevyšuje intenzitu UV žiarenia tvoreného UHECR spŕškami približne o 7 rádov, nie je možné sledovanie UHECR eventov na dennej strane Zeme. Na nočnej strane Zeme obmedzujú merania rôzne ďalšie faktory ako Mesačné svetlo (v maxime o rád vyššia intenzita ako intenzita UV žiarenia tvoreného UHCER), umelé osvetlenie (mestské svetlá, nad rozsiahlými aglomeráciami merania nebudú možné), blesky, polárne žiary, vplyv Juhoatlantickej anomálie a UV pozadie generované airglow žiarením, zodiakálnym a hviezdnym svetlom. Všetky tieto efekty musia byť zahrnuté do modelu operačného cyklu experimentu.

Pri rozpoznávaní spŕšok vytvorených časticami s ultra vysokými energiami sa hľadajú a optimalizujú metódy na rozpoznanie časticových spŕšok v meraniach JEM-EUSO a ostatných EUSO prekurzor detektorov. Cieľom je nájsť metódu, po aplikácii ktorej, sa s čo najväčšou presnosťou podarí zrekonštruovať parametre primárnych častíc s ultra vysokými energimi.




Model UV pozadia - ÚEF SAV

Spŕšky častíc v atmosfére, ktoré boli vyvolané UHECR, zanechávajú pri svojej ceste cez atmosféru stopu z UV fotónov. Tie sa v experimente JEM-EUSO využívajú na ich registráciu. Keďže sa jedná o veľmi nízky počet fotónov, je veľmi dôležité určiť ostatné zdroje svetla, ktoré môžu takéto pozorovanie ovplyvniť, teda vytvárajú pre experiment nežiadúce pozadie. V rámci kolaborácie JEM-EUSO sa v Košiciach na Oddelení kozmickej fyziky (OKF) ÚEF zaoberáme odhadom tohoto pozadia.

Hlavným zdrojom svetla na Zemi je Slnko. Intenzita slnečného žiarenia mnohonásobne prevyšuje intenzitu s akou žiaria spŕšky častíc preto môže samotné meranie prebiehať len v noci. Navyše, Slnko musí byť dostatočne hlboko pod horizontom (~18°). Takisto Mesiac znemožňuje pozorovania a preto je nutné merať len cez bezmesačné noci. Ďalším faktorom, ktorý bráni pozorovaniu je mestské osvetlenie. Hustota populácie a teda mestských svetiel je na niektorých miestach na Zemi tak vysoká, že detektor bude musieť byť počas preletu nad týmito miestami vypnutý (alebo aspoň jeho časti, ktoré sa pozerajú na veľké mestá).

Okrem týchto zdrojov pozadia, ktoré znemožňujú samotné pozorovanie existujú ďalšie, ktorých intenzita ovplyvňuje meranie, ale nemusí mu nutne zabrániť. Medzi tieto zdroje patria hviezdne svetlo, zodiakálne svetlo a airglow žiarenie. Svetlo hviezd a zodiakálne svetlo prichádza na Zem „spoza“ detektora (je „nad“ detektorom), dopadá na atmosféru a zemský povrch odkiaľ sa odráža a tak sa dostáva do detektora. Tieto zdroje sú pomerne dobre známe. Je pri nich ale dôležité ohodnotiť vplyv atmosféry a rozličných typov zemských povrchov, ktoré pre ne tvoria odrazovú plochu.

Posledným zdrojom je airglow žiarenie. Ide o vyžarovanie samotnej nočnej atmosféry. Toto žiarenie je produkované rozličnými chemickými procesmi, ktorých hlavným hnacím motorom je Slnko. Slnečné žiarenie na dennej strane spôsobuje vznik rozličných iónov a rozpad molekúl atmosféry. Tie interagujú navzájom alebo s ostatnými časticami atmosféry a niektoré s reakcií produkujú svetlo. Pri prechode na nočnú stranu niektoré s týchto reakcií pretrvávajú ďalej a ich žiarenie vytvára pozadie pre experiment. Hlavným zdrojom tohto pozadia pre JEM-EUSO je vrstva atmosféry vo výške medzi 80 až 120 km, kde sa produkujú UV fotóny s vlnovými dĺžkami 250-500 nm. Zdroj žiarenia je teda „pod“ experimentom, ktorý teda pozoruje priamu a aj odrazenú zložku (podobne ako pri zodiakálnom svetle a svetle hviezd). Aj v tomto prípade je nutné brať do úvahy vplyv atmosféry a rozličných typov zemských povrchov. Airglow je navyše špecifický tým, že nie je konštantným zdrojom. Jeho intenzita je premenlivá počas noci, aj počas roka a mení sa v závislosti na geografickej polohe. Taktiež majú na jeho intenzitu vplyv kozmické počasie a rozličné prúdenia a vlny, ktoré prebiehajú v atmosfére.

Na OKF pracujeme na vývoji komplexného modelu, ktorý by vyššie spomenuté efekty dokázal popísať a tým umožnil experimentu JEM-EUSO pripraviť sa na podmienky merania.


Airglow nad horizontom, zachytená z Medzinárodnej vesmírnej stanice. Credit:Johnson Space Center



Rozpoznávanie spŕšok - TUKE

Atmosférické spŕšky sú pozorované JEM-EUSO detektorom ako jasný bod pohybujúci sa medzi snímkami zaznamenanými detektorom. Viditeľnosť tohoto bodu sa znižuje s rastúcou intenzitou UV pozadia. Temporálne rozlíšenie detektora je v ráde mikrosekúnd (štandardne 2.5 µs). Snímkovanie celej plochy ohniskovej plochy detektora (320000 foto-senzitívnych pixelov) s týmto intervalom vyžaduje bitovú rýchlosť prenosu približne 10 GB/s. Schéma spúšťačov, ktorá vykonáva tzv. online analýzu dát, znižuje tok dát produkovaný detektorom na prenosovú rýchlosť 250 kB/s alokovanú pre JEM-EUSO detektor na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS. Algoritmy vykonávané spúšťačmi sú implementované pomocou aplikačne špecifických integrovaných obvodov a programovateľných logických polí.

Získané dáta budú spracované tzv. offline analýzou dát. Cieľ tejto analýzy je odhad smeru, alebo rekonštrukcia, príchodu a energie primárnej častice. Proces rekonštrukcie je typicky rozdelený do troch základných krokov: výber vzoru pixelov spŕšky, rekonštrukcia smeru príchodu a posledný krok - rekonštrukcia hĺbky maximálnej produkcie častíc v spŕške (Xmax) a energie primárnej častice kozmického žiarenia.

  Prvý z týchto krokov, výber vzoru pixelov spŕšky, segmentuje pozorované obrazové dáta na príznaky odpovedajúce spŕškam a pozadiu. Táto fáza rekonštrukcie je potrebná aj v prípade, že cieľom rekonštrukcie je rozpoznávanie iných fyzikálnych javov ako len spŕšok. Metóda segmentácie je spravidla prispôsobená špecifikám rozpoznávaného vzoru. Metódy musia presne a spoľahlivo vybrať spŕšku z pozorovaných snímok aj v prípade malého zenitového uhla (projekcia spŕšky na ohniskovú plochu detektora je krátka čiara alebo len jasný bod) a pri vysokej intenzite pozadia.

Presné určenie smeru príchodu primárnej častice je potrebné pre dosiahnutie primárnych cieľov experimentu. Vedecké požiadavky misie vyžadujú, aby chyba odhadu bola menej ako 2.5° pri spŕškach so zenitovým uhlom 60°. Keďže JEM-EUSO je len jeden detektor, ktorý bude pozorovať atmosféru v nadir móde (alebo maximálne 30° naklonenom móde) priame určenie zenitového uhla nie je možné. Zenitový uhol je určený v algoritme využívajúcom znalosti o vývoji spŕšky v čase a predpokladu známej rýchlosti pohybu frontu spŕšky (uvažuje sa rýchlosť svetla). Ďalším dostupným podstatným údajom využitým v rekonštrukcii je približný smer príchodu fotónov pre každý fotomultiplikátor ohniskovej plochy detektora. To umožňuje určiť spoločnú rovinu detektora a spŕšky, taktiež tieto uhly (resp. vektory ležiace na spomenutej rovine) sú využívané pre identifikáciu bodov spŕšky.

Rekonštrukcia energie primárnej častice využíva vývoj pozorovanej intenzity spŕšky v čase a priestore, ktorá je  prepočítaná na počet fotónov využitím známych vlastností detektora. Hĺbka maximálnej produkcie môže byť určená dvoma metódami. Prvá metóda využíva známy smer vektora smerujúceho k maximu produkcie častíc spŕšky a pozíciu dopadu spŕšky na zemský povrch získanú z odrazu čerenkového žiarenia od zemského povrchu. V prípade, že odraz čerenkového žiarenia nie je dostupný hĺbka maximálnej produkcie je určená hľadaním analytického popisu vývoja intenzity spŕšky, ktorý zodpovedá pozorovaným dátam. Známa pozícia maxima umožňuje odhad profilu spŕšky popisujúceho závislosť počtu elektrónov od atmosférickej hĺbky. Finálne počet sekundárnych elektrónov umožňuje výpočet energie primárnej častice využitím Gillerovej parametrizácie spŕšok.


Príklad časticových spŕšok s zenitový uhlom voči atmosfére 30 a 75 stupňov.
Zlúčený pohľad z ohniskovej plochy detektora z celého časového priebehu spŕšky.
   

© 2013-2017 JEM-EUSO Experiment
Designed by PB