ALTO på svenska

Kosmisk strålning

Jorden träffas hela tiden av ett stort flöde av kosmisk strålning från universum. Denna strålning utgörs främst av laddade partiklar såsom protoner och lättare atomkärnor. En viss del av den kosmiska strålningen utgörs av gammastrålning, som kan ha extremt hög energi. När gammastrålning eller kosmisk strålning med hög energi kommer in i jordens atmosfär, ger den upphov till en skur av sekundära partiklar, av vilka en del når jordytan och utgör en del av den bakgrundsstrålning vi alla utsätts för. Det är nu mer än hundra år sedan Victor Hess under ett antal ballongflygningar visade att denna strålning faktiskt kom från yttre rymden. Fortfarande vet vi dock inte var i universum all den kosmiska strålningen produceras. Vi vet heller inte vad det kan vara för mekanismer som kan ge strålningen så enorm energi. Dessa frågor är alltjämt bland de mest omdebatterade inom den moderna vetenskapen.

Credit: NSF/J. Yang

“Astropartikelfysik” eller “Partikelastrofysik”

Astropartikelfysik är ett vetenskapsområde inom vilket man bland annat studerar ursprunget till relativistiska kosmiska partiklar samt vilken betydelse de har i universum. Astropartikelfysiken utforskar också nya fronter inom fysiken. Man använder detektorteknik som utvecklats inom partikelfysikforskningen, och som installeras antingen på jorden eller ombord satelliter. Markbaserad teknik för gamma-astronomi representerar ett relativt ungt forskningsfält med avsevärd vetenskaplig potential.

aplnu_1png
Pictures Credits:
On top, Big Bang: Alamy. In the middle, Centaurus A: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al; Radio: NSF/VLA/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle; Optical: ESO/WFI/M.Rejkuba et al. At the bottom, Particle Physics: the ATLAS Collaboration.

“Extensive Air Showers”

En teknik för att detektera gammastrålning på marken representeras av Extensive Air Shower arrays (EAS), vilka består av ett antal utspridda partikeldetektorer som direkt kan registrera de sekundära elementarpartiklar som bildas i jordatmosfären när den träffas av högenergetisk (Very-High-Energy, VHE) kosmisk strålning. För detta behöver den placeras på hög höjd över havet. Ett sådant instrument kan konstrueras av ett antal relativt billiga vattencisterner innehållande så kallade fotomultiplikatorer. Tekniken har visserligen måttlig vinkelupplösning men erbjuder stor synvinkel, vilket är väsentligt för att kunna upptäcka intressanta händelser på himlavalvet.

A sketch of a gamma-ray induced shower hitting the ALTO observatory. Credits: Linnaeus University

Konstruktion av ALTO: methoder

För ALTO finns ett antal sätt på vilka den nuvarande utformningen av EAS-tekniken kan förbättras: observatoriets höjd över havet, införandet av ett scintillator detektor under vattentanken, mindre tankar, och bruket av mer exakt elektronik och tidsmätning. Dessutom presenterar vi en idé som skulle kunna hjälpa till att hålla nere kostnaderna för observatoriet.

Genom att placera observatoriet på högre höjd kan man närma sig den nivå där antalet partiklar i en gammainducerad partikelkaskad är maximalt. Detta ger möjlighet att sänka energitröskeln för gammastrålning. Speciellt planerar vi att öka höjden till 5.2 km över havet, vilket möjliggör en minskning av energitröskeln med 40% i relation till HAWC.

I den nuvarande ALTO-designen har vi lagt till ett scintillatorlager under vattentanken. Detta är ett viktigt komplement för att kunna identifiera myoner, vilka nästan entydigt visar om partikelkaskad är protoninitierad istället för gammainitierad. Att identifiera myoner gör det möjligt att i analysen uppnå ett högre signal-till-bakgrundsförhållande, vilket därmed medger en högre känslighet hos detektionstekniken.

Konstruktionen av mindre tankar i jämförelse med HAWC gör det möjligt att få en mer finkornig bild vid marken av partiklarna i kaskaden. En mer detaljerad bild av partikelfördelningen i kaskaden bör också möjliggöra bättre bakgrundsdiskriminering. Den nuvarande utformningen av vattentanken för ALTO är hexagonal. På så sätt kan de många tankarna placeras tätt ihop utan mellanrum.

ALTO prototypenheter i Småland

Vi anser att ALTO är ett utmärkt projekt att utvecklas vid Linnéuniversitetet i Småland, och i Sverige i allmänhet, eftersom det skulle utveckla kunnandet om kosmiska partikeldetektorer i Sverige, samt leda till möjligheter för svenska företag att utveckla teknik för stora scintillatortankar, och öka intresset för astropartikelfysik och VHE-astronomi i södra Sverige. Vi planerar att installera upp till sex prototyp-detektorenheter på universitetsområdet i Växjö. Installationen kommer alltså att dra till sig studenternas uppmärksamhet, och anläggningen kan därför med fördel också utnyttjas för att väcka ungdomars intresse för grundläggande vetenskap i Småland. Sammantaget kommer omkring 1000 sådana enheter att bilda det kompletta observatoriet ALTO i Chile eller Argentina.