Opracowanie ultraczułych systemów detekcji promieniowania i fal grawitacyjnych – to cel naukowców z projektu Astrocent działającego w ramach Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN. Detektory zdolne do rejestrowania bardzo słabych sygnałów fizycznych mają pomóc w badaniach nad ciemną materią i Wszechświatem, ale również znaleźć zastosowanie komercyjne, w tym m.in. w medycynie, systemach bezpieczeństwa, monitoringu środowiska, energetyce odnawialnej czy sejsmologii.
– W Astrocencie staramy się odpowiadać na fundamentalne pytania dotyczące budowy i ewolucji Wszechświata, między innymi na drodze doświadczalnej. Znalezienie takich odpowiedzi z reguły wymaga budowy dużych eksperymentów, często znajdujących się w trudno dostępnych lokalizacjach ze względu na konieczność wyeliminowania tła od promieniowania kosmicznego: głęboko pod ziemią, na dnie oceanu. Detektory są bardzo duże, dzięki czemu mają większą szansę zmierzyć i odkryć słabo oddziałujące cząstki przylatujące do nas z kosmosu i niosące informacje – mówi agencji Newseria dr hab. Marcin Kuźniak, profesor Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika Polskiej Akademii Nauk, lider projektu Astrocent.
Międzynarodowy Instytut Astrofizyki Cząstek PAN został utworzony w marcu 2026 roku. To pierwsza placówka w Europie Środkowo-Wschodniej zajmująca się wyłącznie astrofizyką cząstek i technologiami wspomagającymi. Ma wzmocnić udział Polski w wiodących światowych projektach badających tzw. ukryty Wszechświat – od ciemnej materii i neutrin po fale grawitacyjne – przy jednoczesnym opracowywaniu innowacyjnych technologii z zastosowaniem w gospodarce i służbie społeczeństwu.
Docelowo do nowego instytutu przeniesiony zostanie obecny zakład Astrocent Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN, w którym początkowo realizowany jest projekt. Cała inicjatywa została wsparta łącznym pakietem finansowania w wysokości 34 mln euro, z tego 8 mln euro (ok. 34 mln zł) na projekt Astrocent pochodzi z programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB) realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG).
Zespół Astrocentu zamierza przekroczyć ograniczenia dotychczasowych rozwiązań. Jego celem jest zwiększenie czułości detektorów na różne sygnały, m.in. światło, jonizację, dźwięk, drgania czy też fale sejsmiczne. Naukowcy chcą również poprawić ich skalowalność poprzez m.in. zwiększenie czułej powierzchni, liczby i różnorodności kanałów pomiarowych, a także przez możliwość prowadzenia spójnych i porównywalnych w czasie i przestrzeni pomiarów na dużym obszarze.
– Procesy, których szukamy w tych detektorach, są bardzo rzadkie. W ciągu kilku lat pracy eksperymentu mamy nadzieję na odkrycie dosłownie kilku pojedynczych sygnałów powodowanych przez cząstki, których szukamy. Ogromnym wyzwaniem jest zrozumienie i eliminacja tła pomiarowego, które mogłoby poszukiwany sygnał „udać” lub zaburzyć. W tym celu musimy zebrać i zrozumieć każdy najdrobniejszy element informacji z tych detektorów – tłumaczy prof. Marcin Kuźniak.
Dotychczasowe badania pokazały, że promieniowanie elektromagnetyczne, w tym znane wszystkim światło widzialne, stanowi jedynie niewielką część informacji docierających do Ziemi z kosmosu. Spora jego część ciągle pozostaje bardzo słabo poznana, czyli „ukryta”. To m.in. ciemna materia stanowiąca około jednej czwartej gęstości masy-energii Wszechświata. Wiedzy o nim dostarczają m.in. promienie kosmiczne, neutrina i fale grawitacyjne.
– Budujemy wraz z partnerami detektor ciemnej materii, który będzie szukał śladów zderzeń jej wszechobecnych cząstek z jądrami atomowymi zwykłej materii – tłumaczy badacz Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN. – Szukamy więc zdarzeń, w których cząstka ciemnej materii odbiłaby się od jądra atomowego i przekazała mu wtedy część energii. Ono w wyniku interakcji z sąsiednimi atomami traci ją, powodując błysk światła, jonizację i minimalny wzrost temperatury. Te pojedyncze fotony, wzrost temperatury o milikelwiny czy pojedyncze elektrony, czyli te drobne efekty, musimy być w stanie zmierzyć z jak największą wydajnością.
Jak podkreślają przedstawiciele Astrocentu, te egzotyczne sygnały są zazwyczaj bardzo rzadkie lub słabe, co sprawia, że ich wykrywanie wymaga ultraczułych detektorów, specjalnych sensorów, niskoszumowej elektroniki, zaawansowanej fotodetekcji i zaawansowanych metod analizy danych. Astrofizyka cząstek – znana również jako fizyka astrocząstek – zajmuje się wykrywaniem właśnie tego typu sygnałów.
– O istnieniu ciemnej materii wiadomo już od ponad 100 lat. Nie da się bez niej wytłumaczyć ruchu gromad galaktyk, który już od dawna obserwujemy w sposób dość precyzyjny. Wydaje się, że ciemna materia stanowi 80 proc. materii. Oprócz niej jest też ciemna energia, która jest jeszcze większą zagadką – wyjaśnia prof. Marcin Kuźniak. – Ciemna materia determinuje wygląd naszego Wszechświata i w dużej mierze kierowała jego ewolucją. Bez niej nie byłoby możliwe powstanie galaktyk ani życia w formie, jaką znamy. Fakt, że żadna z obecnie znanych cząstek nie mogłaby być ciemną materią, mówi nam też o tym, że są prawa fizyczne, których jeszcze nie odkryliśmy, a które mogłyby zrewolucjonizować nasze rozumienie fizyki cząstek i Wszechświata.
Projekt Astrocent skupia się także na badaniach fal grawitacyjnych.
– Detektory fal grawitacyjnych to w miarę nowa dziedzina. Już od kilku lat dość często jednoznacznie rejestrujemy sygnały od zderzeń czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Pomiar tych sygnałów pozwala nam zobaczyć odległe zakątki Wszechświata, które są niedostępne w inny sposób, a także testować teorie fizyczne w ekstremalnych warunkach niedostępnych w laboratoriach na Ziemi czy też za pomocą klasycznych metod astronomii – zaznacza lider zespołu Astrocent.
Podkreśla, że w kontekście pomiarów fal grawitacyjnych bardzo ważne jest monitorowanie zakłóceń takich jak drgania sejsmiczne.
– Do tego konieczne są złożone z setek lub tysięcy sensorów sieci detektorów sejsmicznych i mikrofonów czułych na poddźwięki – technologia rozwijana w projekcie Astrocent przez grupę dr. Mariusza Suchenka. Tego typu czujniki mają szerokie zastosowania, na przykład w systemach wczesnego ostrzegania przed trzęsieniami ziemi, w bezpieczeństwie i monitorowaniu infrastruktury krytycznej. Mamy w tej dziedzinie już kilka patentów, które mamy zamiar rozwijać i wprowadzać na rynek w najbliższych latach – zapowiada prof. Marcin Kuźniak.
Jeden z patentów otrzymanych przez Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika Polskiej Akademii Nauk dotyczy sejsmicznego czujnika pomiarowego.
– Technologie rozwijane do badań podstawowych, w szczególności w astrofizyce cząstek, pokonują dotychczasowe bariery technologiczne. Czyni je to użytecznymi do tych zastosowań codziennych, w których brakowało narzędzi pozwalających rozwiązać pewne problemy – zaznacza naukowiec.
Jeden z projektów, rozwijany przez grupę prof. Masayukiego Wady, dotyczy wykorzystania ciekłego argonu w obrazowaniu medycznym PET, które może oznaczać rewolucję w diagnostyce onkologicznej i neurologicznej. Pozwala bowiem znacząco ograniczyć dawkę promieniowania otrzymywaną przez pacjenta, co może otworzyć tę metodę diagnostyki dla dzieci czy kobiet w ciąży.
Źródło: Newseria
