Nauka

Urządzenie do zimnej fuzji sprawdzone. Czy to przełom?

22.05.2013 00:01
Powstało urządzenie, które dzięki zimnej fuzji dostarcza najtańszą energię na świecie. Generuje olbrzymie ilości energii niemal z niczego. Jego działanie potwierdziła grupa niezależnych naukowców.
Urządzenie do zimnej fuzji sprawdzone. Czy to przełom?
Foto: sxc.hu/cc
Urządzenie do zimnej fuzji sprawdzone i czeka na produkcję
Powstało urządzenie, które dzięki zimnej fuzji dostarcza najtańszą energię na świecie. Generuje olbrzymie ilości energii niemal z niczego. Jego działanie potwierdziła grupa naukowców. 
Dwa lata temu pisaliśmy o sprawie. W nauce jest niewiele tematów bardziej kontrowersyjnych niż zimna fuzja. Nie ma teorii, która by ją wyjaśniła, ale Włosi opracowali urządzenie, które niezawodnie ją przeprowadza. Zimna fuzja to, najkrócej rzecz ujmując, hipotetyczna reakcja zachodząca w temperaturze zbliżonej do pokojowej, podczas której dwa małe jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądro. Podczas takiej fuzji wydziela się, oczywiście, olbrzymia ilość energii.
Dlaczego zimna fuzja to kamień filozoficzny? „Normalne” reakcje termojądrowe wymagają bardzo wysokich energii, albo ogromnych temperatur. Jądra atomów są naładowane dodatnio i, aby się połączyły, muszą pokonać tak zwaną barierę Coulomba. W normalnych pokojowych temperaturach teoretycznie reakcje syntezy jąder wodoru nie zachodzą. Tyle przynajmniej mówi obowiązująca w świecie naukowym teoria.
Tym niemniej: zimna fuzja zachodzi. Obecnie coraz więcej ośrodków naukowych, w tym amerykańskie wojskowe laboratoria, ale także japońskie, włoskie, izraelskie i chińskie, donoszą o eksperymentach z zimną fuzją. Kłopot polega na tym, że nikt nie potrafi wytłumaczyć mechanizmu reakcji zimnej fuzji, a powtarzane eksperymenty raz się udają, a raz nie. Nikt nie wie, dlaczego.
I właśnie Włosi pokonali barierę powtarzalności. Andrea Rossi i Sergio Focardi z Uniwersytetu w Bolonii w 2011 roku ogłosili, że opracowali urządzenie, w którym możliwe jest przeprowadzenie zimnej fuzji. 
Reaktor Rossiego i Focardiego ma zużywać 1000 W energii, które po kilku minutach funkcjonowania spada do 400 W. Podczas każdej minuty jego działania 292 gramy wody o temperaturze 20 stopni C zmieniają się w parę o temperaturze 101 stopni. Zwykle podniesienie temperatury wody o 80 stopni potrzebuje 12 400 W, a zatem to poważny zysk energetyczny. Uzyskaną energię cieplną można przetworzyć na elektryczną. Włosi obliczyli, że koszt tak uzyskanej elektryczności to mnie niż 1 cent za 1 kW. To dużo mniej niż w przypadku węgla czy gazu!
Andrea Rossi dwa lata nie pozwalał testować maszyny, zwanej Energy Catalyzer (E-Cat), bez swojego udziału. Teraz wreszcie się zgodził. Testy wypadły pomyślnie, chociaż naukowcy, którzy badali urządzenie, nie mieli większego pojęcia, jaka reakcja zachodzi w środku. Mimo to wsparli urządzenie swoim autorytetem, wydając opinię: to działa.
E-Cat dostarcza 10 000 razy więcej energii niż tradycyjne paliwo o tej samej objętości. Jak wyjaśnia Rossi, przetwarza wodór w nikiel, a potem nikiel w miedź, wytwarzając przy tym ogromną temperaturę. Badacz nie podaje jednak zbyt wielu szczegółów.
Podobny proces (wodór-nikiel-miedź) można przeprowadzić podczas zwykłe fuzji, bardzo gwałtownego i szybkiego procesu. Zimna fuzja (zwana też skrótowo LENR) tworzy atomy, które poruszają się bardzo powoli i nie powoduje powstawania szkodliwego promieniowania. Właśnie dlatego teoretycznie LENR jest bezpieczny. NASA, które też pracuje nad taką fuzją, chce umieścić reaktory LENR w samochodach czy na pokładach samolotów. Agencja nie uzyskała jednak dotąd takich wyników jak Włosi, a jej reaktory wymagają dostarczenia dużo większej ilości energii niż się uzyskuje. Właśnie w redukcji zapotrzebowania na energię tkwi sekret Rossiego.
 Artykuł naukowy na temat zimnej fuzji nie przeszedł jeszcze procesu recenzji naukowej, ale nastąpi to lada moment. Jeśli się uda i jeżeli Rossi nie jest oszustem (ma na koncie przestępstwa skarbowe, oszustwa podatkowe i nielegalny import złota), nasz świat zmieni się bardzo szybko.
(ew/PhysOrg.com/polskieradio.pl/extremetech.com)

Dwa lata temu pisaliśmy o sprawie. W nauce jest niewiele tematów bardziej kontrowersyjnych niż zimna fuzja. Nie ma teorii, która by ją wyjaśniła, ale Włosi opracowali urządzenie, które niezawodnie ją przeprowadza.

Zimna fuzja to, najkrócej rzecz ujmując, hipotetyczna reakcja zachodząca w temperaturze zbliżonej do pokojowej, podczas której dwa małe jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądro. Podczas takiej fuzji wydziela się, oczywiście, olbrzymia ilość energii.

Dlaczego zimna fuzja to kamień filozoficzny? „Normalne” reakcje termojądrowe wymagają bardzo wysokich energii (np. ogromnych temperatur lub zderzania cząstek). Jądra atomów są naładowane dodatnio i, aby się połączyły, muszą pokonać tak zwaną barierę Coulomba. W normalnych pokojowych temperaturach teoretycznie reakcje syntezy jąder wodoru nie zachodzą. Tyle przynajmniej mówi obowiązująca w świecie naukowym teoria.

Tym niemniej: zimna fuzja zachodzi. Obecnie coraz więcej ośrodków naukowych, w tym NASA, donoszą o swoich eksperymentach z zimną fuzją. Kłopot polega na tym, że nikt nie potrafi wytłumaczyć mechanizmu reakcji zimnej fuzji, a powtarzane eksperymenty raz się udają, a raz nie.

Włosi pokonali barierę powtarzalności. Andrea Rossi i Sergio Focardi z Uniwersytetu w Bolonii w 2011 roku ogłosili, że opracowali urządzenie, w którym możliwe jest przeprowadzenie zimnej fuzji. Reaktor Rossiego i Focardiego ma zużywać 1000 W energii, które po kilku minutach funkcjonowania spada do 400 W. Podczas każdej minuty jego działania 292 gramy wody o temperaturze 20 stopni C zmieniają się w parę o temperaturze 101 stopni. Zwykle podniesienie temperatury wody o 80 stopni potrzebuje 12 400 W, a zatem to poważny zysk energetyczny. Uzyskaną energię cieplną można przetworzyć na elektryczną. Włosi obliczyli, że koszt tak uzyskanej elektryczności to mnie niż 1 cent za 1 kW. To dużo mniej niż w przypadku węgla czy gazu!

Andrea Rossi dwa lata nie pozwalał nikomu testować maszyny, zwanej Energy Catalyzer (E-Cat), bez swojego udziału. Teraz wreszcie się zgodził. Testy wypadły pomyślnie, chociaż naukowcy, którzy badali urządzenie, nie mieli większego pojęcia, jaka reakcja zachodzi w środku. Mimo to wsparli urządzenie swoim autorytetem, wydając opinię: to działa.

E-Cat dostarcza 10 000 razy więcej energii niż tradycyjne paliwo o tej samej objętości. Jak wyjaśnia Rossi, przetwarza wodór w nikiel, a potem nikiel w miedź, wytwarzając przy tym temperaturę. Badacz nie podaje jednak zbyt wielu szczegółów.

Podobny proces (wodór-nikiel-miedź) można przeprowadzić podczas zwykłe fuzji, bardzo gwałtownego i szybkiego procesu. Zimna fuzja (zwana też skrótowo LENR) tworzy atomy, które poruszają się bardzo powoli i nie powoduje powstawania szkodliwego promieniowania. Właśnie dlatego teoretycznie LENR jest bezpieczny. DO tego stopnia, że NASA, które też pracuje nad taką fuzją, chce umieścić reaktory LENR w samochodach czy na pokładach samolotów.

Agencja nie uzyskała jednak dotąd takich wyników jak Włosi, a jej reaktory wymagają dostarczenia dużo większej ilości energii niż się uzyskuje. Właśnie w redukcji zapotrzebowania na energię tkwi sekret Rossiego. 

Artykuł naukowy na temat zimnej fuzji nie przeszedł jeszcze procesu recenzji naukowej, ale nastąpi to lada moment. Jeśli się uda i jeżeli Rossi nie jest oszustem (ma na koncie przestępstwa skarbowe, oszustwa podatkowe i nielegalny import złota), nasz świat zmieni się bardzo szybko.

(ew/PhysOrg.com/polskieradio.pl/extremetech.com)

Zobacz więcej na temat: energia fizyka nauka
Ten artykuł nie ma jeszcze komentarzy, możesz być pierwszy!
aby dodać komentarz
brak

Czytaj także

Hawking przyznaje: przegrałem zakład o bozon Higgsa

19.04.2013 22:00
Podczas swojego wystąpienia na Caltech Stephen Hawking oficjalnie przyznał, że nie miał racji w sprawie bozonu Higgsa.
Jedno ze zderzeń w eksperymencie CMS
Jedno ze zderzeń w eksperymencie CMSFoto: CERN/CMS.

 Fizyk założył się z innym naukowcem, Gordonem Kanem z Michigan University o to, czy bozon Higgsa zostanie odkryty. Hawking obstawiał, że nie i teraz musi zapłacić Kane’owi 100 dolarów.

Już w lipcu 2012, kiedy CERN ogłosił odkrycie cząstki podobnej do Higgsa, Hawking przyznał, że jego szanse wygrania zakładu są bardzo nikłe. Ale dopiero teraz oficjalnie pogodził się z przegraną. - To odkrycie powinno przynieść Pereowi Higgsowi Nagrodę Nobla - mówił Hawking. - Wygląda na to, że przegrałem kolejny zakład - przyznał.

Zakład z Kane'em nie jest pierwszym w życiu Hawkinga. W 1974 roku założył się z astrofizykiem Kipem Thorne'em o to, czy galaktyczne źródło promieniowania rentgenowskiego Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę. Hawking twierdził, że nie, Thorne – że tak. A czarna dziura tam była. Nagrodą była prenumerata pewnych nienaukowych pism.

Z kolei w 2004 roku Hawking przegrał zakład z fizykiem z Caltech, Johnem Preskillem. Założyli się już w 1997 roku - chodziło o to, czy materia wpadająca do czarnej dziury jest stracona na zawsze. Hawking twierdził, że tak, a Preskill - że nie i że promieniowanie Hawkinga wynosi z czarnej dziury informację, która wcześniej do niej wpadła z materią. Wygrał Preskill (dostał encyklopedię), ale, co ciekawe, najnowsze badania mogą jeszcze odwrócić losy tego zakładu, być może zatem encyklopedia wróci do Hawkinga.

Podczas wykładu na Caltech Preskill skomentował skłonności Hawkinga do zakładania się. - Kochać Hawkinga to nie znaczy zawsze się z nim zgadzać. Hawking ma prawie zawsze rację, ale czasami jej nie ma.

Teraz słynny fizyk z Cambridge musi zapłacić 100 dolarów Gordonowi Kane'owi.

(ew/Discovery.com)

Czytaj także

Mezon B0s woli materię

Naukowcy pracujący w CERN wiedzą już nieco więcej na temat tego, dlaczego materii jest więcej niż antymaterii.
Naukowcy pracujący w CERN wiedzą już nieco więcej na temat tego, dlaczego materii jest więcej niż antymaterii. 
Uczeni skupieni wokół eksperymentu LHCb w CERN zaobserwowali asymetrię w powstawaniu cząstek materii i antymaterii w rozpadzie cząstek B zero "s". Obserwacje te mogą przybliżyć nas do rozwiązania zagadki brakującej antymaterii we Wszechświecie.
Fizycy sądzą, że po Wielkim Wybuchu, ok. 13,8 mld lat temu, w kosmosie było tyle samo cząstek materii i antymaterii. Antymateria zniknęła jednak w mgnieniu oka i mamy teraz stabilny Wszechświat złożony niemal wyłącznie z materii, a antymateria pojawia się w nim incydentalnie jako byt egzotyczny i nietrwały. Dlaczego?
Współcześnie obowiązująca teoria cząstek elementarnych, nazywana Modelem Standardowym, opisuje pewną asymetrię w zachowaniu między materią a antymaterią. Efekt ten nazywany jest przez fizyków złamaniem symetrii CP.
Detektor LHCb bada cząstki, wytworzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Znaczna część z nich istnieje tylko przez ułamki sekund, po czym rozpada się, wywołując lawinę reakcji, obejmujących kreację i anihilację. Badacze ustalili, że niektóre cząstki mają pewną „preferencję” rozkładania się na materię - na przykład mezon B0s.
- Łączne efekty złamania symetrii CP przewidywane przez Model Standardowy są jednak ciągle zbyt małe, aby wytłumaczyć, jak powstał Wszechświat zdominowany przez materię - mówi rzecznik zespołu eksperymentu LHCb Pierluigi Campana.
   
Antymateria to cząstki, które przypominają znane nam "cegiełki" tworzące świat. Jednak różnią się od nich, np. ładunkiem elektrycznym. Każdej cząstce materii odpowiada bliźniaczo podobna cząstka antymaterii o ładunku tej samej wartości, ale przeciwnym znaku. Czyli elektron jest cząstką materii o ujemnym ładunku elektrycznym, a pozyton (pozytron) jest odpowiadającą mu cząstką antymaterii o ładunku dodatnim. Podobnie jest z antyprotonem, który ma masę i inne własności protonu, ale w przeciwieństwie do niego ma ujemny ładunek elektryczny.
Najnowsze rezultaty to wyniki badań z 2011 roku. Dopiero teraz udało się podsumować biliony zderzeń, które wykonano dwa latat temu. Dysproporcja pomiędzy ilością materii i antymaterii wymaga dalszych badań.
 
 
 
 
 

 Uczeni skupieni wokół eksperymentu LHCb w CERN zaobserwowali asymetrię w powstawaniu cząstek materii i antymaterii w rozpadzie cząstek B zero "s". Obserwacje te mogą przybliżyć nas do rozwiązania zagadki brakującej antymaterii we Wszechświecie.

Fizycy sądzą, że po Wielkim Wybuchu, ok. 13,8 mld lat temu, w kosmosie było tyle samo cząstek materii i antymaterii. Antymateria zniknęła jednak w mgnieniu oka i mamy teraz stabilny Wszechświat złożony niemal wyłącznie z materii, a antymateria pojawia się w nim incydentalnie jako byt egzotyczny i nietrwały. Dlaczego?

Współcześnie obowiązująca teoria cząstek elementarnych, nazywana Modelem Standardowym, opisuje pewną asymetrię w zachowaniu między materią a antymaterią. Efekt ten nazywany jest przez fizyków złamaniem symetrii CP.

Detektor LHCb bada cząstki, wytworzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Znaczna część z nich istnieje tylko przez ułamki sekund, po czym rozpada się, wywołując lawinę reakcji, obejmujących kreację i anihilację. Badacze ustalili, że niektóre cząstki mają pewną „preferencję” rozkładania się na materię - na przykład mezon Bs.

- Łączne efekty złamania symetrii CP przewidywane przez Model Standardowy są jednak ciągle zbyt małe, aby wytłumaczyć, jak powstał Wszechświat całkowicie zdominowany przez materię - mówi rzecznik zespołu eksperymentu LHCb Pierluigi Campana.

Antymateria to cząstki, które przypominają znane nam "cegiełki" tworzące świat. Jednak różnią się od nich, np. ładunkiem elektrycznym. Każdej cząstce materii odpowiada bliźniaczo podobna cząstka antymaterii o ładunku tej samej wartości, ale przeciwnym znaku. Czyli elektron jest cząstką materii o ujemnym ładunku elektrycznym, a pozyton (pozytron) jest odpowiadającą mu cząstką antymaterii o ładunku dodatnim. Podobnie jest z antyprotonem, który ma masę i inne własności protonu, ale w przeciwieństwie do niego ma ujemny ładunek elektryczny.

Najnowsze rezultaty to wyniki badań z 2011 roku. Dopiero teraz udało się podsumować biliony zderzeń, które wykonano dwa latat temu. Dysproporcja pomiędzy ilością materii i antymaterii wymaga dalszych badań. 

(ew/PAP/Times)

    
Zobacz więcej na temat: fizyka nauka

Czytaj także

Polacy zaobserwowali pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne

21.05.2013 21:00
Badacze z eksperymentu KASCADE-Grande, wśród których są naukowcy Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), po raz pierwszy zaobserwowali pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne.
Obraz galaktyki M 91 wykonany w podczerwieni za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera
Obraz galaktyki M 91 wykonany w podczerwieni za pomocą Kosmicznego Teleskopu SpitzeraFoto: Jodrell Bank Centre for Astrophysics.
Pierwsza obserwacja pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego
 
Badacze z eksperymentu KASCADE-Grande, wśród których są naukowcy Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), po raz pierwszy zaobserwowali pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sądzą, że cząstki kosmiczne o energiach powyżej tzw. „kolana” mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
 
W eksperymencie KASCADE-Grande po raz pierwszy zaobserwowano pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne, rejestrując charakterystyczną strukturę w widmie cząstek lekkich promieniowania kosmicznego. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sformułowali wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego o wyższych energiach niż 1017 elektronowoltów mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
 
„Strumień promieni kosmicznych, czyli tak zwanych cząstek pierwotnych, bardzo szybko ubywa wraz ze wzrostem energii. Nieco powyżej 1015 elektronowoltów szybkość tego ubywania (nachylenie widma) jeszcze bardziej wzrasta, można wtedy w widmie promieniowania kosmicznego zaobserwować załamanie, zwane „kolanem” – mówi prof. dr hab. Janusz Zabierowski z Zakładu Promieniowania Kosmicznego NCBJ, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i przewodniczący Komitetu Sterującego Współpracy KASCADE-Grande – „W oparciu o wyniki KASCADE-Grande, które kilka lat temu wyjaśniły wieloletnią zagadkę powstawania „kolana”, sformułowano wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego mogą być generowane i gromadzone w naszej Drodze Mlecznej jedynie do energii około 1017 elektronowoltów”.
 
Dotąd przejście od składowej galaktycznej promieniowania kosmicznego do składowej pozagalaktycznej spodziewane było nieco powyżej energii 1018 elektronowoltów. Z teorii powstawania kolana wynika, że przejście do pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego powinno się uwidocznić najpierw w widmie lekkich cząstek pierwotnych, gdyż to one pierwsze opuszczają swoje macierzyste galaktyki. Zidentyfikowanie takiej struktury w widmie składowej lekkiej przy stosunkowo niższych energiach wspiera teorie przewidujące taki wczesny wkład od źródeł pozagalaktycznych.
 
Strumień cząstek promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy aparatury na satelitach. Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek – zwana wielkim pękiem atmosferycznym - nierzadko pokrywająca obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa.
Detektor KASCADE-Grande zaprojektowano specjalnie do rejestrowania wielkich pęków atmosferycznych. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), w Niemczech, składała się początkowo z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 200 m (KASCADE). W pierwszych latach bieżącego wieku sieć rozbudowano, dodając 37 stacji detektorowych w kwadracie o boku 700 m, tworząc detektor KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector with Grande extension). Międzynarodowa Współpraca KASCADE-Grande obejmuje dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch. Narodowe Centrum Badań Jądrowych bierze udział w projekcie od jego pierwszej wersji - KASCADE, czyli od 1989 roku (wówczas jako Instytut Problemów Jądrowych).
 
To właśnie w detektorze KASCADE-Grande po raz pierwszy przebadano cały zakres energii promieniowania kosmicznego, w którym występowało charakterystyczne załamanie widma energii, zwane „kolanem”. W efekcie stwierdzono, że kolano występuje przy różnych energiach dla lekkich i ciężkich cząstek pierwotnych promieniowania. Położenie kolana zależy od ładunku jądra atomowego: KASCADE-Grande wykryła „kolano żelazowe” przy energii 26 razy wyższej od tej, przy której występuje kolano w widmie jąder wodoru. Najnowsze obserwacje eksperymentu KASCADE-Grande wykazują powyżej energii 1017 elektronowoltów zmniejszenie stromizny (spłaszczenie, zwane także „anty-kolanem” lub „kostką”) widma lekkich cząstek pierwotnych. Naukowcy twierdzą, że jest to dowód na obecność nowej, pozagalaktycznej komponenty w promieniowaniu kosmicznym. Ten ważny dla astrofizyki wynik badawczy został ostatnio opublikowany w czasopiśmie „Physical Review D”, D 87, No. 081101 (R), 2013.
 
Przyszłe wyniki eksperymentów badających promienie kosmiczne przy najwyższych energiach, takich jak np. Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie, pozwolą na weryfikację, czy rzeczywiście wysokoenergetyczne lekkie cząstki zmierzone przez KASCADE-Grande pochodzą z innej galaktyki.

Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sądzą, że cząstki kosmiczne o energiach powyżej tzw. „kolana” mają swoje źródło poza Drogą Mleczną. 

W eksperymencie KASCADE-Grande po raz pierwszy zaobserwowano pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne, rejestrując charakterystyczną strukturę w widmie cząstek lekkich promieniowania kosmicznego. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sformułowali wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego o wyższych energiach niż 1017 elektronowoltów mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.

- Strumień promieni kosmicznych, czyli tak zwanych cząstek pierwotnych, bardzo szybko ubywa wraz ze wzrostem energii. Nieco powyżej 1015 elektronowoltów szybkość tego ubywania (nachylenie widma) jeszcze bardziej wzrasta, można wtedy w widmie promieniowania kosmicznego zaobserwować załamanie, zwane „kolanem” – mówi prof. dr hab. Janusz Zabierowski z Zakładu Promieniowania Kosmicznego NCBJ, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i przewodniczący Komitetu Sterującego Współpracy KASCADE-Grande. – W oparciu o wyniki KASCADE-Grande, które kilka lat temu wyjaśniły wieloletnią zagadkę powstawania „kolana”, sformułowano wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego mogą być generowane i gromadzone w naszej Drodze Mlecznej jedynie do energii około 1017 elektronowoltów”. 

Dotąd przejście od składowej galaktycznej promieniowania kosmicznego do składowej pozagalaktycznej spodziewane było nieco powyżej energii 1018 elektronowoltów. Z teorii powstawania kolana wynika, że przejście do pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego powinno się uwidocznić najpierw w widmie lekkich cząstek pierwotnych, gdyż to one pierwsze opuszczają swoje macierzyste galaktyki.

Zidentyfikowanie takiej struktury w widmie składowej lekkiej przy stosunkowo niższych energiach wspiera teorie przewidujące taki wczesny wkład od źródeł pozagalaktycznych. Strumień cząstek promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy aparatury na satelitach.

Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek – zwana wielkim pękiem atmosferycznym - nierzadko pokrywająca obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa.

Detektor KASCADE-Grande zaprojektowano specjalnie do rejestrowania wielkich pęków atmosferycznych. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), w Niemczech, składała się początkowo z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 200 m (KASCADE). W pierwszych latach bieżącego wieku sieć rozbudowano, dodając 37 stacji detektorowych w kwadracie o boku 700 m, tworząc detektor KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector with Grande extension). Międzynarodowa Współpraca KASCADE-Grande obejmuje dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch.

Narodowe Centrum Badań Jądrowych bierze udział w projekcie od jego pierwszej wersji - KASCADE, czyli od 1989 roku (wówczas jako Instytut Problemów Jądrowych). 

To właśnie w detektorze KASCADE-Grande po raz pierwszy przebadano cały zakres energii promieniowania kosmicznego, w którym występowało charakterystyczne załamanie widma energii, zwane „kolanem”. W efekcie stwierdzono, że kolano występuje przy różnych energiach dla lekkich i ciężkich cząstek pierwotnych promieniowania.

Położenie kolana zależy od ładunku jądra atomowego: KASCADE-Grande wykryła „kolano żelazowe” przy energii 26 razy wyższej od tej, przy której występuje kolano w widmie jąder wodoru. Najnowsze obserwacje eksperymentu KASCADE-Grande wykazują powyżej energii 1017 elektronowoltów zmniejszenie stromizny (spłaszczenie, zwane także „anty-kolanem” lub „kostką”) widma lekkich cząstek pierwotnych. Naukowcy twierdzą, że jest to dowód na obecność nowej, pozagalaktycznej komponenty w promieniowaniu kosmicznym. Ten ważny dla astrofizyki wynik badawczy został ostatnio opublikowany w czasopiśmie „Physical Review D”.

Przyszłe wyniki eksperymentów badających promienie kosmiczne przy najwyższych energiach, takich jak np. Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie, pozwolą na weryfikację, czy rzeczywiście wysokoenergetyczne lekkie cząstki zmierzone przez KASCADE-Grande pochodzą z innej galaktyki.

(ew/NCBJ)

Zobacz więcej na temat: fizyka nauka