HAWC: νέο παρατηρητήριο ακτίνων γ. New Observatory Takes Highest-Energy Particle Research to New Heights

As cosmic-ray particles are accelerated by a black hole in this artist's interpretation, they stream toward Earth as very-high-energy gamma-rays. Upon hitting the atmosphere, they produce a shower of particles that rain down on Earth. Most of these particles run out of energy before they hit sea level.  Credit: Aurore Simonnet, Sonoma State University

Ένα νέο παρατηρητήριο έχει αρχίσει τη λειτουργία του στα βουνά του Μεξικό με σκοπό να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής. Πρόκειται για το HAWC (High Altitude Water Cherenkov), στο οποίο εγκαθιστώνται ογκώδεις δεξαμενές καθαρού νερού στο υψόμετρο των 4.100 μέτρων.

Enormous tanks of extra-pure water 16 feet (4.9 meters) high and 24 feet (7.3 m) in diameter collect information about the high-energy gamma-rays that collide with them.  Credit: The HAWC Collaboration

Όταν ολοκληρωθεί, το HAWC θα αποτελείται από ένα δίκτυο 300 κυλινδρικών δεξαμενών, ύψους πέντε μέτρων και διαμέτρου επτά η καθεμία, μέσω των οποίων οι επιστήμονες ευελπιστούν να μελετήσουν τα πιο ενεργά φωτόνια που έχουν ανιχνευθεί μέχρι σήμερα.

Τα φωτόνια με τις υψηλότερες ενέργειες ονομάζονται ακτίνες γ και στην προκειμένη περίπτωση πρόκειται για σωματίδια με κοσμική προέλευση με ενέργειες στην κλίμακα των TeV, αντίστοιχης με αυτή που έχει μία ιπτάμενη μπάλα του τένις, συγκεντρωμένη όμως σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο.

Τα σωματίδια αυτά έχουν περίπου 20 φορές περισσότερη ενέργεια από τα πιο ενεργά σωματίδια που μπορούν να παραχθούν στον πιο ισχυρό επίγειο επιταχυντή, κάτι που μετατρέπει τις κοσμικές ακτίνες σε ένα φυσικό εργαστήριο πρώτης τάξης για τους επιστήμονες.

Το ερώτημα που σχετίζεται με τις TeV ακτίνες γ αφορά στην προέλευσή τους. Για να αγγίξουν αυτές τις ενέργειες, θα πρέπει να επιταχύνονται από εξαιρετικά ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά ή βαρυτικά πεδία, όπως οι μαύρες τρύπες, χωρίς όμως αυτό να είναι διαπιστωμένο.

Η μέχρι τώρα χαρτογράφηση του ουρανού, χρησιμοποιώντας μόνο το ένα τρίτο των ανιχνευτών του HAWC, έχει ήδη εντοπίσει τρεις περιοχές (κόκκινο χρώμα) που εκπέμπουν μεγάλη ενέργεια. Mapping the sky with only one-third of its detectors, HAWC has already captured three regions of excessive energy, shown in red. Credit: Daniel Fiorino, UW-Madison/HAWC Collaboration

Όταν ένα μία ακτίνα γ φθάσει στην ατμόσφαιρα της Γης, παράγει μέσω μιας σειράς συγκρούσεων εκατομμύρια άλλα σωματίδια, εκ των οποίων μόνο εκείνα με τη μεγαλύτερη ενέργεια καταφέρνουν να φτάσουν έως την επιφάνεια του πλανήτη μας, κάτι που αποτελεί και το βασικό επιχείρημα υπέρ της εγκατάστασης τέτοιων παρατηρητηρίων σε μεγάλα υψόμετρα. Αναλύοντας τη “βροχή” σωματιδίων, οι ερευνητές θα προσπαθήσουν να ανακατασκευάσουν τη συνολική εικόνα, εντοπίζοντας την πηγή των ακτίνων και λύνοντας το μυστήριο της επιτάχυνσής τους.

Ένα από τα πλεονεκτήματα του HAWC σε σύγκριση με παλαιότερες προσπάθειες είναι η δυνατότητά του να ανιχνεύει σωματίδια από κάθε κατεύθυνση, ενώ η τοποθεσία εγκατάστασής του θα του επιτρέπει να λειτουργεί συνεχώς, ανεξαρτήτως καιρού. Θα είναι επίσης σχεδιασμένο να συνεργάζεται και με διαστημικά τηλεσκόπια όπως το Φέρμι, με αντίστοιχη ευαισθησία στις μετρήσεις, σε σωματίδια όμως 100 με 1000 φορές πιο ενεργά.

The HAWC array, viewed from the summit of Sierra Negra.  Credit: E. Moreno, BUAP

Όταν ολοκληρωθεί, στο τέλος του έτους, θα είναι 10 με 15 φορές πιο ισχυρό από όλους τους ανιχνευτές ακτίνων γ που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα, παρέχοντας στους επιστήμονες την ευκαιρία να διαλευκάνουν ένα από τα μεγάλα ερωτήματα της σύγχρονης επιστήμης, αλλά και να ελέγξουν για αντιδράσεις που αντιστοιχούν σε άγνωστες μέχρι στιγμές πτυχές της φυσικής, όπως αυτές στις οποίες συμμετέχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης.