S kozmičnimi žarki do skrivnosti temne snovi

Dr. Andrii Tykhonov je ukrajinski fizik, ki trenutno živi in dela v Švici, a je tesno povezan s Slovenijo. Pri nas je doktoriral, na Institutu Jožef Stefan (IJS) pa je pridobil nov petletni projekt ERC z naslovom Neposredno zaznavanje PeV galaktičnih kozmičnih žarkov v vesolju (PeVGALAXY), vreden dva milijona evrov.

Cilj raziskovalnega projekta, ki je za IJS prvi na področju znanosti o vesolju, je natančno zaznati kozmične žarke v vesolju na najvišjih energijskih ravneh, kar bo raziskovalcem omogočilo določiti izvor najmočnejših zvezdnih eksplozij v naši galaksiji. »Razviti želimo tehnike, s katerimi bi lahko raziskovali fiziko pri energijah, ki so višje od energij v velikem hadronskem trkalniku (LHC) v Cernu,« je pojasnil Tykhonov.

Kozmični žarki so delci z najvišjimi energijami v vesolju. Odkrili so jih leta 1912, o njihovih lastnostih in obnašanju pa se še vedno učimo. Lahko jih razdelimo v dve skupini, na primarne in sekundarne. Tisti iz astrofizikalnih virov so primarni, ti žarki pa z interakcijo z medzvezdno snovjo ustvarjajo sekundarne kozmične žarke.

Zelo različne energije delcev, ki priletijo iz vesolja, kažejo na široko paleto njihovega izvora. Pomemben vir kozmičnih žarkov je Sonce, ko ob izbruhih v vesolje izstreli roj delcev, večinoma protonov, podobno tudi druge zvezde, še posebej bolj aktivne, v svojo okolico vseskozi pošiljajo visokoenergijske delce. Prav tako po galaksiji potujejo galaktični kozmični žarki, ki izvirajo iz eksplozij supernov, dosežejo pa nas tudi ekstragalaktični delci, ki – kot kaže že ime – ne izvirajo iz naše galaksije.

»V raziskavah se osredotočam na kozmične žarke, ki prihajajo iz naše galaksije,« je poudaril sogovornik. »Proizvajajo se v najmočnejših energijskih procesih, kot so eksplozije zvezd ali supernove. Po eni strani s pomočjo kozmičnih žarkov preučujemo vesolje, galaksijo in pojave v njej, po drugi pa fiziko delcev. Z našimi raziskavami dopolnjujemo raziskave, ki jih izvajajo v velikem hadronskem trkalniku, pri čemer pa kozmični žarki presegajo energije, ki jih še lahko dosežemo v pospeševalnikih,« je razložil in dodal, da gre za energije v območju petaelektronvoltov (PeV; 10¹⁵), kar je približno deset- do stokrat višja energija od energije v LHC, tam lahko dosežejo najvišjo energijo 14 teraelektronvoltov (TeV; 10¹²). Kozmični delci dosegajo tudi višje energije, z observatorijem Pierre Auger v Argentini so denimo zaznali delce z energijo več kot 57 eksaelektronvoltov (EeV).

Kozmični žarki tako visokih energij so redki. »Zato potrebujemo veliko opazovalnega časa, da lahko pridobimo ustrezne meritve. Običajno so najvišje energije, ki jih še lahko zaznavamo z vesoljskimi odpravami, ravno v območju PeV. Pretok kozmičnih delcev še višjih energij je še manjši in jih lahko opazujemo le z observatoriji na tleh, ki opazujejo velike površine neba,« je pojasnil.

Kitajski sateliti

Glavni znanstveni instrument njegovih raziskav je satelit Dark Matter Particle Explorer (raziskovalec delcev temne snovi), krajše DAMPE. »Gre za skupno evropsko-kitajsko odpravo, ki je začela delovati leta 2015. Imel sem priložnost, da sem sodeloval že pri razvoju odprave, raziskovalni ekipi v Švici sem se namreč pridružil leta 2013, ko je tekla najbolj intenzivna faza sestavljanja instrumenta,« je dejal sogovornik in dodal, da ga veseli tudi to, da deluje že skoraj deset let, s čimer je precej presegel pričakovano obratovalno dobo.

Za obdelavo pridobljenih podatkov med drugim uporabljajo tehnologije in metode, ki temeljijo na umetni inteligenci. »To je ena ključnih točk mojega projekta ERC. Naša raziskovalna skupina je pokazala smotrnost uporabe umetne inteligence pri raziskovanju delcev visokih energij. Z njeno pomočjo lahko pridobimo veliko natančnejše meritve oziroma lahko s tehnologijami umetne inteligence rekonstruiramo delce in določimo njihovo vrsto veliko natančneje kot s klasičnimi (ročno izdelanimi) metodami,« je pojasnil raziskovalec, ki trenutno deluje na Univerzi v Ženevi.

Satelit DAMPE v orbiti Ilustracija Cas

Tamkajšnja skupina po njegovih besedah sodeluje še pri razvoju satelita naslednje generacije za raziskovanje kozmičnih delcev – High Energy Cosmic Radiation Detection Facility, na kratko HERD. »To je prav tako kitajsko-evropski projekt. Pričakuje se, da bo satelit izstreljen leta 2028, namestili pa ga bodo na kitajsko vesoljsko postajo.« Sodeluje tudi s Cernom, saj gre za eksperimente s področja fizike delcev. »V Cernu denimo testiramo naše detektorje,« je dejal.

Temna snov

S prelomnimi meritvami kozmičnih žarkov Tykhonov raziskuje tudi eno največjih skrivnosti sodobne znanosti: temno snov. »Končni cilj projekta je zaznati podpise temne snovi v kozmičnih žarkih. Seveda nihče ne ve, kaj je temna snov in ali jo bomo kdaj lahko zaznali s kozmičnimi žarki. Vendar naša raziskava dopolnjuje manjkajoči delček v mozaiku podatkov drugih opazovanj, ki iščejo temno snov, na primer z velikimi zemeljskimi observatoriji ali v pospeševalnikih. Prav tako bi radi ugotovili, kateri in kakšen je pospeševalnik delcev z najvišjo energijo v naši galaksiji. Veljalo je prepričanje, da so to supernove, a zadnji podatki nekoliko majejo to hipotezo.«

Izvora kozmičnih žarkov za zdaj ne morejo določati. »Ker gre za nabite delce, se odklonijo od magnetnih polj, zato se razpršijo po galaksiji in izgubijo vse informacije o smeri. Mogoče je sicer izmeriti anizotropijo kozmičnih žarkov (pojav, da ima snov v različnih smereh različne fizikalne lastnosti), vendar ne z našimi eksperimenti. Izvore drugih sevanj lažje določimo, na primer vire sevanja gama, toda ta sevanja so lahko povezana. Tu se pojavi sinergija med različnimi poskusi in raziskavami. Različne meritve so izredno pomembne,« je pojasnil.

»Pri raziskovanju kozmičnih žarkov mi je všeč predvsem tehnološki vidik. Na primer, kako lahko uporabim tehnologijo umetne inteligence, da bi jih bolje razumeli. Gre za delce izjemno visokih energij, ne moremo jih poustvariti na Zemlji, torej je velik tehnološki izziv, kako jih zaznati, izmeriti … Poleg tega pa lahko kozmični žarki veliko povedo o razvoju galaksij, vesolja. Še veliko teorij je pomanjkljivih, zato potrebujemo meritve, da bomo prišli do pravih odgovorov,« je poudaril. »Končni odgovor pa lahko da le eksperiment. V teorijah lahko ugibate, vendar pa moramo v naravi z eksperimenti poiskati odgovore,« je jasen.

Raziskave v Švici

To je njegov drugi projekt ERC, pred tem je prejel že projekt ERC za začetek samostojne raziskovalne kariere. »V prvem projektu sem skušal pokazati, da lahko z umetno inteligenco lažje raziskujemo novo fiziko, kar se je potrdilo. Dokazali pa smo tudi, da lahko izvedemo ne le tipične meritve kozmičnih žarkov, kot so meritve sestave in lastnosti žarkov, ampak lahko žarke uporabimo kot podlago za raziskave fizike delcev. Da so lahko kozmični žarki primerljivi denimo s curkom snovi, ki kroži v pospeševalniku v Cernu, seveda s to razliko, da so energije precej višje, prav tako so drugačni delci,« je opisal raziskovalec.

Andrii Tykhonov sicer prihaja iz Odese, po študiju ga je raziskovalna pot vodila v Švico in Slovenijo. »Že v mladosti sem imel rad naravoslovje. Pri fiziki sicer v srednji šoli z ocenami nisem blestel, vendar sem nato ugotovil, da bi bila to lahko najbolj zanimiva stvar, ki bi jo počel v življenju,« je dejal.

»Kot študent sem se leta 2009 pridružil skupinam v Cernu, in to v najbolj vznemirljivem obdobju. V Ukrajini sem se osredotočal na teoretične izračune v fiziki delcev, nato se mi je ponudila priložnost za delovanje v eksperimentalni fiziki delcev. Moja leta doktorskega študija (doktorat je opravil pri prof. dr. Borutu Paulu Kerševanu; op. a.) so sovpadala s prvimi tremi leti zbiranja podatkov na LHC in delovanja eksperimenta Atlas, tako sem bil udeležen pri odkritju Higgsovega bozona. Imel sem res veliko srečo, da sem se skupini, ki je delovala pri eksperimentu Atlas, pridružil ravno v najbolj razburljivem obdobju,« je pojasnil raziskovalec, ki v prostem času rad igra nogomet, pa tudi videoigre.