Jedna z největších záhad fyziky. Čech přišel s metodou, která pomůže určit původ kosmického záření

Unikátní metoda posouvá vědu o krůček blíže k odhalení jedné z největších záhad fyziky: jaký je původ částic z vesmíru, které bombardují vzdušný obal naší planety.

„Především u částic s nejvyšší energií stále nevíme, co by mohly být zdroje nejextrémnějších procesů ve vesmíru, které umožňují jejich vznik,“ vysvětlil Jakub Vícha z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.

Složení těchto částic se odhaduje pouze nepřímo, a to na základě z měření sekundárních částic, které vznikají kaskádovitě po srážce primární kosmické částice s jádrem v atmosféře. Některé z těchto sekundárních částic, např. miony, přitom dopadají až na zemský povrch. Mezi pozorováním a modelovými předpověďmi množství dopadajících mionů byl dosud značný nesoulad.

„Naše interpretace měření poukázala na to, že spršky částic ultravysokých energií pravděpodobně pronikají mnohem hlouběji do atmosféry, než jsme si mysleli. Zároveň se ukazuje, že složení kosmického záření, které se právě nejčastěji určuje podle zmíněné pronikavosti spršek, může být i výrazně těžší, než se běžně uvažovalo, a obsahovat tedy více těžších jader,“ popsal Vícha.

Víchova metoda výrazně zpřesnila popis dat např. z měření Observatoře Pierra Augera, což je observatoř kosmického záření.

Zároveň podle zástupců Akademie věd tato metoda poprvé jednoznačně prokázala neschopnost předchozích modelů popsat naměřená data spolehlivě. V jejím důsledku nyní astročásticoví fyzici zřejmě přehodnotí výsledky dosavadních publikovaných prací týkajících se složení vesmírného záření ultravysokých energií.

Ve vědecké komunitě nicméně nový postup nejprve narazil na nedůvěru i odpor. Metodu českého vědce ověřovaly stovky astročásticových fyziků z Observatoře Pierra Augera –⁠⁠⁠⁠⁠ nakonec na celkem 2239 sprškách částic detekovaných zároveň fluorescenčním a povrchovým detektorem s energiemi mezi 3 a 10 EeV (exa elektronvolty).

Po šesti letech od první prezentace nyní konečně publikoval výsledky odborný časopis Physical Review D.

„Byla období, kdy jsem cítil velkou deprivaci, že moje metoda není přijata, ale nebyl jsem schopen přijít na to, co dělám špatně. Byl jsem přesvědčen, že je všechno tak, jak má být, a nikdo také vlastně nenašel nějakou chybu v mém postupu,“ poznamenal Vícha.

Metodu nadále prosazoval i za podpory uznávaných tuzemských kolegů. „Říkali mi: čím revolučnější výsledek, tím větší odpor vyvolá, chce to čas,“ dodal fyzik.

Při interpretaci dat kosmického záření ultravysokých energií se výzkumníci spoléhají na předpovědi modelů tzv. hadronických interakcí, které ovšem nepopisují naměřené vlastnosti spršek dostatečně spolehlivě (hadron je složená silně interagující subatomární částice).

Dané modely byly vytvořeny na základě poznatků z hadronových urychlovačů, jako je např. LHC v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN) poblíž švýcarské Ženevy, avšak nejenergetičtější kosmické částice přesahují dokonce hodnoty 100 EeV, což výrazně převyšuje možnosti zkoumání pozemských urychlovačů.

Vlastnosti hadronických interakcí se tedy musí v modelech extrapolovat na o mnoho řádů vyšší energie, což vnáší významnou systematickou nejistotu do interpretací měření kosmického záření. Nyní se ukazuje, že modely potřebují být zpřesněny mnohem komplexněji než jen generováním většího množství mionů, což je už samo o sobě poměrně problematické.

V kosmickém záření ultravysokých energií se tedy zřejmě objevuje více těžších částic, jako jsou např. jádra železa, což má zásadní vliv na hledání jejich zdrojů na nejvyšších energiích. Čím mají totiž částice větší náboj, tím více se zakřivují v magnetickém poli naší Galaxie Mléčné dráhy a tím je jejich směr příletu více vzdálený od směru jejich zdroje na obloze.

„Příroda je prostě daleko komplikovanější, než bychom chtěli, a ztěžuje tak naši snahu konečně odkrýt, odkud k nám tyto částice přilétají. Nicméně postupně zužujeme prostor možností a jednou se snad dočkáme odhalení, jak a kde tyto nejextrémnější procesy ve vesmíru probíhají,“ uvedl Vícha.