Проект ГРАНД
Обсерватория космических лучей в Университете Нотр-Дам
Проект GRAND («Гамма-астрофизика в Нотр-Даме»)
Проект ГРАНД.
Проект ГРАНД, 2004
Местоположение(я)Университет Нотр-Дам , Нотр-Дам, Индиана
Координаты41°42′41″с.ш., 86°14′20″з.д.41°42′41″с.ш. 86°14′20″з.д. / 41,71139°с.ш. 86,23889°з.д. / 41,71139; -86,23889
ОрганизацияНотр-Дам, кафедра физики и астрономии, Национальный научный фонд
Высота220 м
Построено1987-1996
Диаметр64, 1,29 м 2 пропорциональные проволочные камеры
Угловое разрешение0,25°
Зона сбора83 м 2
Веб-сайтhttps://www3.nd.edu/~grand/
Проект ГРАНД находится на Земле.
Проект ГРАНД
Местоположение проекта GRAND («Гамма-астрофизика в Нотр-Даме»)
[править на Wikidata]

Проект GRAND — это обсерватория космических лучей , расположенная на территории кампуса Университета Нотр-Дам . [1] [2] Обсерватория представляет собой сетку из шестидесяти четырех пропорциональных проволочных камерных (PWC) детекторов частиц, расположенных на поле площадью 10 000 м2 . Проект GRAND был разработан и построен почетным профессором Нотр-Дам Джоном Пуарье и его студентами. [2] [3] Обсерватория работала в основном в период с 1989 по 2011 год. [4] Проект GRAND обнаруживал космические лучи от Солнца и внесолнечных источников. [5] [6] Проект GRAND также смог различить влияние атмосферной температуры и давления на поверхностные подсчеты космических лучей. [7]

Концепция и особенности

Космические лучи были открыты в 1912 году австрийским физиком Виктором Ф. Гессом, за что он получил Нобелевскую премию по физике 1936 года . [8] Космические лучи — это частицы, в основном протоны , которые испускаются солнцем и внесолнечными источниками . Эти частицы воздействуют на атмосферу Земли, создавая ливни частиц (« широкие атмосферные ливни » или EAS), которые можно обнаружить с поверхности. В 1983 году немецкие физики Вильгельм Штамм и Манфред Саморский смогли связать космические лучи с источником в космосе под названием Лебедь X-3 (третий по яркости объект, излучающий рентгеновские лучи в созвездии Лебедя ). [9] [2] Лебедь X-3 испускает два основных типа частиц: протоны и фотоны гамма-излучения . Гамма-лучи делятся на две категории: « очень высокой энергии » (10 12 эВ) и « сверхвысокой энергии » (10 15 эВ). Из этих категорий гамма-лучи сверхвысокой энергии можно наблюдать с помощью наземных детекторов космических лучей. [9] [10]

Вид с севера на проект GRAND, 2004, Кэлвин Шварцендрубер.

Почетный профессор Джон Пуарье из Университета Нотр-Дам основал проект GRAND в конце 1980-х годов. Пуарье получил докторскую степень по физике элементарных частиц в Стэнфордском университете , а позже проводил исследования на Серпуховском ускорителе в России и в Фермилабе недалеко от Чикаго. [11] [2] Пуарье присоединился к факультету физики Нотр-Дам в 1964 году . [12] Позже Пуарье занялся изучением космических лучей и их источников в космосе. [3] Первоначально он планировал построить обычный оптический детектор, который должен был быть размещен на соевом поле в северной Индиане, [13] [14] [15], но ведущий эксперт по технологии сцинтилляционных детекторов из Кракова, Польша [14], посетивший тогда кампус Нотр-Дам, убедил Пуарье использовать другой подход, который не зависел бы от погодных условий. [2] Пуарье использовал моделирование Монте-Карло для проектирования обсерватории космических лучей на основе сцинтилляторов, которая могла бы обнаруживать обширные атмосферные ливни, создаваемые гамма-лучами сверхвысокой энергии и протонами. [16] Обсерватория, названная Project GRAND, могла бы определять источники частиц космических лучей с угловым разрешением 0,25° (видимый угол в половину размера полной луны). Пуарье представил этот план в докладе 1987 года для 20-й Международной конференции по космическим лучам, состоявшейся в Москве. [17] [18] GRAND — это аббревиатура от «Gamma Ray Astrophysics at Notre Dame». [2] Обсерватория должна была быть построена при поддержке Национального научного фонда (NSF), а также на средства Университета Нотр-Дам и частных лиц. [7] [2] [19] Газетные статьи о Пуарье и проекте GRAND были опубликованы в выпусках South Bend Tribune от 9 января 1989 года и 19 ноября 1989 года . [14] [2]

Схема проекта ГРАНД.
Схема деревянной "хижины" проекта GRAND. Каждая хижина оснащена 4 пропорциональными проволочными камерами (каждая содержит два набора вольфрамовых проводов) для обнаружения космических лучей.

В период своего расцвета проект GRAND использовал набор из 64 установок для обнаружения космических лучей, которые были расположены на ровном поле к северу от главного кампуса Нотр-Дам. Каждая из 64 установок использовала набор из восьми вертикально установленных пропорциональных проволочных камер (PWC). [20] [21] ( Джордж Шарпак получил Нобелевскую премию по физике 1992 года за изобретение PWC.) [22] В проекте GRAND каждая камера PWC имеет 160 ортогонально расположенных вольфрамовых проволок (два набора по 80 проволок), запечатанных в атмосфере, состоящей из аргона и углекислого газа (80% и 20% соответственно). «Удары» космических лучей регистрировались путем обнаружения ионизированных газов как разности напряжений в вольфрамовых проволоках. [23] [24] 64 установки, называемые «хижинами», представляют собой фанерные здания, выстроенные в сетку 8 на 8, охватывающую площадь 10 000 м 2 (поле 100 м на 100 м). Сетка ориентирована строго с севера на юг и, вместе с уложенными друг на друга PWC, позволила оценить углы входа частиц, вызванных космическими лучами. [25]

Обширные атмосферные ливни демонстрируют конус частиц, которые воздействуют на поверхность Земли в области диаметром около 200 м. [9] В проекте GRAND почти одновременные обнаружения в нескольких хижинах установили возникновение обширных атмосферных ливней. [26] [20] Стальная пластина, расположенная над нижним PWC в каждой хижине, использовалась для обнаружения мюонов . Мюоны - это тяжелые, [27] короткоживущие кузены электрона, которые генерируются в атмосфере Земли под воздействием космических лучей. [28] Стальная пластина также позволяла различать атмосферные ливни, генерируемые гамма-фотонами, и те, которые генерируются протонами, а обнаружение мюонов позволяло дифференцировать эти источники атмосферных ливней. [20] По словам Пуарье, в его предложении по эксперименту фоновые протоны будут сведены к нулю путем обнаружения мюонов, а обнаружение мюонов затем можно будет связать с обширными атмосферными ливнями, создаваемыми гамма-лучами сверхвысокой энергии. [17]

Каждая из 64 хижин была соединена с центральным трейлером, где накапливались данные эксперимента. [17] Трейлер данных был получен из излишков НАСА и, возможно, использовался в качестве карантинного помещения для астронавтов миссий «Меркурий» и «Джемини» . [24] [29]

Открытия, образовательные возможности

Эксперимент Project GRAND проводился с 1989 по 2011 год. [4] Как уже говорилось, обсерватория получила финансирование от Национального научного фонда. После строительства основные расходы эксперимента были направлены на закупку аргона, используемого в PWC. [24]

Внутренний вид хижины проекта GRAND. Представлены 4 пропорциональные проволочные камеры (каждая содержит два набора вольфрамовых проводов). Красный компонент поддерживает стальную пластину толщиной 5 см, используемую для различения мюонов и электронов.

На 28-й Международной конференции по космическим лучам, состоявшейся в Цубуке, Япония [30] в 2003 году, профессор Пуарье представил результаты, предполагающие, что проект GRAND, возможно, смог обнаружить избыточные мюоны из всплесков космических лучей, видимых из обсерватории. Пуарье использовал данные эксперимента BATSE , который был частью обсерватории гамма-лучей Комптона NASA . [6] [31] В частности, он продемонстрировал, что статистическая значимость 2,7σ была получена для обнаружения мюонов в проекте GRAND из гамма-всплеска GRB 971110. [6]

Результаты наблюдений проекта GRAND за двумя солнечными вспышками были представлены на 30-й Международной конференции по космическим лучам, состоявшейся в Мериде, Мексика [32] в 2007 году. [33] 15 апреля 2001 года на Солнце произошла солнечная вспышка X14, и проект GRAND смог обнаружить избыточные мюоны от этого события на статистическом уровне 6,1σ. [5] Проект GRAND также обнаружил избыточные мюоны с достоверностью 9,9σ от солнечной вспышки X7.1, которая произошла 20 января 2005 года. [34] Другое явление, связанное с солнечными вспышками, Форбуш-понижение , также наблюдалось с использованием данных проекта GRAND. Форбуш-понижение — это временное снижение обнаруживаемого потока внесолнечных космических лучей из-за магнитной интерференции солнечного коронального выброса массы (CME). Уменьшение потока внесолнечных космических лучей было обнаружено в проекте GRAND после коронарного выброса массы 11 сентября 2005 года и доложено на конференции в Мериде. [25] [35]

Более раннее уменьшение Форбуша наблюдалось после CME 28 октября 2003 года. Согласно докторской диссертации Кристофера Д'Андреа, поток мюонов упал на 8% после CME 29 октября, и наблюдалось изменение направления в связанных частицах космических лучей. Это изменение направления могло быть связано с взаимодействием магнитного поля Земли с полем CME. [25]

Трейлер избыточных данных NASA по проекту GRAND, июль 2024 г.

На 32-й Международной конференции по космическим лучам, состоявшейся в Пекине [36] в 2011 году, профессор Пуарье смог продемонстрировать связь между потоком мюонов и атмосферной температурой и давлением, используя данные проекта GRAND. Эксперимент обнаруживал мюоны с 1995 года, и весь массив собирал мюоны со скоростью приблизительно 2000 в секунду. Пуарье обнаружил, что более высокое атмосферное давление приводит к снижению обнаружения мюонов. Он также определил, что более высокие температуры также приводят к более низким показателям обнаружения мюонов в эксперименте. [37] На этой же конференции Пуарье представил результаты 117-дневного цикла обнаружения мюонов в обсерватории в 2007 году. Потоки мюонов в течение 24-часового периода различались и демонстрировали ежедневные максимумы и минимумы. Также наблюдалось более долгосрочное изменение в течение всего периода наблюдений, при этом высокий поток мюонов наблюдался в октябре 2008 года. Пуарье объяснил этот сезонный поток расположением Земли в магнитном поле Солнечной системы ( межпланетное магнитное поле , ММП). [7]

Аспиранты, а также преподаватели и студенты старших классов школ проводили исследования и поддерживали эксперимент Project GRAND. [33] [38] Используя данные Project GRAND под эгидой доктора Пуарье, Юнан Лу получил докторскую степень в 1991 году [39], а Кристофер Д'Андреа получил докторскую степень в 2006 году. [25] В 2007 году сообщалось, что шесть студентов бакалавриата Нотр-Дам провели исследования в Project GRAND и написали три диссертации. [33] Летом студенты бакалавриата из других университетов принимали участие в Project GRAND через программу исследовательского опыта для студентов (REU) Нотр-Дам. [40] [41] В 2004 году студент REU Корнелла Дэвид Левитан обновил код эксперимента с Fortran на C. [25] Левитан продолжил получать докторскую степень по астрофизике в Калифорнийском технологическом институте и теперь является специалистом по данным в Microsoft . [42] Местные учителя и ученики старших классов также работали над проектом GRAND в рамках программ исследовательского опыта для учеников старших классов (REHS) и исследовательского опыта для учителей (RET) [33], проводимых Центром QuarkNet в Университете Нотр-Дам. [38] [43] По словам национального штатного преподавателя QuarkNet Кена Сесайра, [44] «проект служит ценным инструментом для учеников старших классов и учителей, чтобы они могли изучать астрофизику». [45]

Смотрите также

  • Кафедра физики и астрономии Нотр-Дам
  • Проект ГРАНД
  • Джон Пуарье

Ссылки

  1. ^ "Университет Нотр-Дам (Проект GRAND)". www3.nd.edu . Получено 2024-06-25 .
  2. ↑ abcdefgh Румбах, Дэйв (19 ноября 1989 г.). «Тайна космических лучей». Саут-Бенд Трибьюн . п. 12 . Проверено 25 июня 2024 г.
  3. ^ ab Wiegard, Sandra (29 ноября 1989 г.). "ND получает оборудование для изучения космических лучей звезды Cygnus X-3" (PDF) . The Observer . стр. 3 . Получено 24 июля 2024 г. .
  4. ^ ab "Публикации". www3.nd.edu . Получено 2024-06-25 .
  5. ^ ab Poirier, J.; D'Andrea, C. (ноябрь 2002 г.). "Мюоны на уровне земли в совпадении с солнечной вспышкой 15 апреля 2001 г.". Журнал геофизических исследований: космическая физика . 107 (A11). arXiv : astro-ph/0211490 . doi : 10.1029/2001JA009187. ISSN  0148-0227.
  6. ^ abc Poirier, J.; D'Andrea, C.; Gress, J.; Race, D. (2003). «Поиск суб-ТэВ гамма-лучей в совпадении с гамма-всплесками». Physical Review D . 1 (4): 1– 4. arXiv : astro-ph/0306370 . doi :10.1103/PhysRevD.67.042001.
  7. ^ abc Poirier, J.; Catanach, T. (2011). «Периодические вариации потока мюонов в проекте GRAND» (PDF) . 32-я Международная конференция по космическим лучам, Пекин , 2011. II : 173–176 .
  8. ^ "Умер Виктор Ф. Гесс, физик; разделил Нобелевскую премию в 1936 году; был одним из первых экспериментаторов по проводимости воздуха — преподавал в Фордхэме до 1958 года". The New York Times . 1964-12-19. ISSN  0362-4331 . Получено 2024-07-10 .
  9. ^ abc MacKeown, PK; Weekes, TC (1985-11-01). "Космические лучи от Cygnus X-3". Scientific American . 253 (5): 60– 69. Bibcode : 1985SciAm.253e..60M. doi : 10.1038/scientificamerican1185-60. ISSN  0036-8733.
  10. ^ "Таинственные частицы могут разрушить теории об излучении из космоса". The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 25.06.2024 .
  11. ^ Dame, Marketing Communications: Web | Университет Нотр. "Джон Пуарье". Кафедра физики и астрономии . Получено 26.06.2024 .
  12. ^ "Доктор Джон Пуарье в Нотр-Дам". Times Clarion (Харлоутон, Монтана) . 18 июня 1964 г. стр. 1. Получено 12 июля 2024 г.
  13. ↑ Rumbach, Dave (22 января 1986 г.). «Комиссия задерживает перезонирование исследования звезд». South Bend Tribune . стр. 23. Получено 12 июля 2024 г.
  14. ^ abc Benchik, Marilyn (9 января 1989 г.). «Новый вызов, который предстоит решить на поле Северной Дакоты». South Bend Tribune . стр. 10. Получено 12 июля 2024 г.
  15. ↑ Rumbach, Dave (19 февраля 1986 г.). «Плановая группа очищает клуб, офисы, научный эксперимент». South Bend Tribune . С. B3 . Получено 24 июля 2024 г.
  16. ^ Пуарье, Дж.; Линсли, Дж.; Микоцки, С. (1987-09-01). «Угловые распределения вторичных заряженных частиц в ливнях, инициированных гамма-квантами и протонами». Physical Review D. 36 ( 5): 1378– 1380. doi :10.1103/PhysRevD.36.1378.
  17. ^ abc Poirier, J.; Funk, E.; Losecco, J.; Mikocki, S.; Rettig, T. (1987). "1987ICRC....2..438P Страница B438". Международная конференция по космическим лучам . 2 : 438. Bibcode :1987ICRC....2..438P . Получено 2024-06-25 .
  18. ^ "Сервер документов ЦЕРН: 20-я Международная конференция по космическим лучам". Сервер документов ЦЕРН .
  19. ^ "Объявлены гранты для преподавателей" (PDF) . The Observer . 22 сентября 1988 г. стр. 6 . Получено 24 июля 2024 г.
  20. ^ abc Poirier, J.; Canough, G.; Gress, J.; Mikocki, S.; Rettig, T. (1990). "Проект GRAND wide air shower array". Nuclear Physics B . 14A : 143– 146. doi : 10.1016/0920-5632(90)90410-V .
  21. ^ Гресс, Дж.; Микоцки, С.; Пуарье, Дж.; Реттиг, Т. (1990). "1990ICRC...10..335G Страница J335". 21-я Международная конференция по космическим лучам (Icrc21) . 10 : 335. Bibcode : 1990ICRC...10..335G . Получено 10 июля 2024 г.
  22. ^ "Модули детекторов". www3.nd.edu . Получено 2024-07-08 .
  23. ^ Гресс, Дж.; Микоцки, С.; Пуарье, Дж.; Реттиг, Т. (1990). "1990ICRC...10..335G Страница J335". 21-я Международная конференция по космическим лучам (Icrc21) . 10 . Bibcode :1990ICRC...10..335G . Получено 12 июля 2024 г.
  24. ^ abc "Подробное описание проекта GRAND". www3.nd.edu . Получено 2024-07-03 .
  25. ^ abcde D'Andrea, Christopher (декабрь 2006 г.). «Анализ мюонов наземного уровня, солнечных вспышек и форбуш-понижений: диссертация». Аспирантская программа по физике, Нотр-Дам, Индиана .
  26. ^ Гресс, Дж. (1997). "1997ICRC....6..221G Страница F221". Международная конференция по космическим лучам . 6 : 221. Bibcode :1997ICRC....6..221G . Получено 10 июля 2024 г.
  27. ^ "Ученый рассказывает об открытии толстых электронов". Binghamton Press and Sun-Bulletin . 2 мая 1938 г. стр. 10. Получено 24 июля 2024 г.
  28. ^ "DOE Explains...Muons". Energy.gov . Получено 2024-07-24 .
  29. ^ "ND QuarkNet Center - Трейлер". sites.google.com . Получено 2024-07-10 .
  30. ^ "28-я Международная конференция по космическим лучам, Цукуба, Япония, 2003". Сервер документов ЦЕРН .
  31. ^ "БАТСЕ". НАСА Гамма-астрофизика NSSTC . Проверено 9 июля 2024 г.
  32. ^ "30-я Международная конференция по космическим лучам, Мерида, Мексика, 2007". Сервер документов ЦЕРН .
  33. ^ abcd Poirier, J.; D'Andrea, C.; Fidler, E.; Gress, J.; Herrera, M.; Hemphill, P.; Schwartzendruber, C. (2007). "Отчет о состоянии проекта GRAND" (PDF) . 30-я Международная конференция по космическим лучам, Мерида, Мексика, 2007 .
  34. ^ D'Andrea, C.; Poirier, J. (2005-07-28). "Мюоны на уровне земли, совпадающие с солнечной вспышкой 20 января 2005 года". Geophysical Research Letters . 32 (14). doi :10.1029/2005GL023336. ISSN  0094-8276.
  35. ^ Пуарье, Дж.; Эррера, М.; Хемфилл, П.; Д'Андреа, К. (2008-07-14), Исследование события Форбуш-понижения 11 сентября 2005 г. с помощью GRAND , arXiv : 0807.2256
  36. ^ "32-я Международная конференция по космическим лучам, Пекин, 2011". Сервер документов ЦЕРН .
  37. ^ Пуарье, Ж.; Катанах, Т. (2011). «Атмосферные эффекты на поток мюонов в проекте GRAND» (PDF) . 32-я Международная конференция по космическим лучам, Пекин , 2011. II : 349–351 .
  38. ^ ab "Годовой отчет центра QuarkNet в Нотр-Дам за 2014 год". QuarkNet . 2014-09-24 . Получено 2024-07-09 .
  39. ^ Лу, Юнан (октябрь 1991 г.). «Исследования космических лучей с использованием пропорциональных проволочных камер: диссертация». Физический факультет, Университет Нотр-Дам .
  40. ^ Болл, Молли. «Методы коррекции данных проекта GRAND». physics.nd.edu . Получено 10 июля 2024 г.
  41. ^ Болл, Молли. "Молли Болл, Университет штата Огайо". ResearchGate . Получено 10 июля 2024 г.
  42. ^ "Домашняя страница Дэвида Левитана". www.dlevitan.com . Получено 2024-07-11 .
  43. ^ "Project GRAND: People". ND QuarkNet Center . Получено 10 июля 2024 г.
  44. ^ Dame, Marketing Communications: Web | Университет Нотр. "Kenneth Cecire". Department of Physics and Astronomy . Получено 22 июля 2024 г.
  45. ^ "UND Project GRAND Group Abstract". QuarkNet . 2014-09-17 . Получено 2024-07-22 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Project_GRAND&oldid=1256706210"