Vizualizacija pljuskova kozmičkih čestica u atmosferi iz perspektive Černekovljevih teleskopa

SVEU

Č

ILIŠTE

U

ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO

‐

MATEMATI

Č

KI

FAKULTET

FIZI

Č

KI

ODSJEK

SMJER:

Dipl.

ing.

fizike

Nikola

Baran

Diplomski

rad

VIZUALIZACIJA

PLJUSKOVA

KOZMI

Č

KIH

 Č

ESTICA

U

ATMOSFERI

IZ

PERSPEKTIVE

 Č

ERENKOVLJEVIH

TELESKOPA

Zagreb,

2012.

SVEU

Č

ILIŠTE

U

ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO

‐

MATEMATI

Č

KI

FAKULTET

FIZI

Č

KI

ODSJEK

SMJER:

Dipl.

ing.

fizike

Nikola

Baran

Diplomski

rad

VIZUALIZACIJA

PLJUSKOVA

KOZMI

Č

KIH

 Č

ESTICA

U

ATMOSFERI

IZ

PERSPEKTIVE

 Č

ERENKOVLJEVIH

TELESKOPA

Voditelj

diplomskog

rada:

dr.

sc.

Dario

Hrupec

Suvoditelj

diplomskog

rada:

dr.

sc.

Darko

Androi

ć 

Ocjena

diplomskog

rada:

_____________________________________

Povjerenstvo:

1.

___________________________________

2.

___________________________________

3.

___________________________________

Datum

polaganja:

_____________________________________

Zagreb,

2012.

Sažetak

U

gama

‐

astronomiji

se

visokoenergijske

kozmi

č

ke

gama

‐

zrake

opažaju

indirektno,

detekcijom

 Č

erenkovljeve

svjetlosti

koja

nastaje

u

atmosferi

gibanjem

ultrarelativisti

č

kih

nabijenih

sekundarnih

 č

estica

iz

pljuska,

prvenstveno

elektrona

i

pozitrona.

Vizualizacija

tih

pljuskova

može

pomo

ć

i

boljem

razumijevanju

doga

đ

aja

i

razvoju

novih

metoda

gama

‐

hadron

separacije.

Stoga

bi

bilo

korisno

imati

vizualizacijski

alat,

sposoban

rekonstruirati

dio

pljuska

kakav

vide

 Č

erenkovljevi

teleskopi.

Unutar

programskog

paketa

za

simulaciju

pljuskova

 č

estica

u

atmosferi,

CORSIKA

postoji

alat

 ‐ 

rutina

plottracks3c.f

koji

služi

vizualizaciji

atmosferskih

pljuskova

 č

estica.

U

modificirani

alat

MAGICplottracks2a.f95

,

temeljen

na

originalnoj

rutini

plottracks3c.f,

implementiran

je

dinami

č

ki

filter

 č

estica

po

energiji

i

tipu

tako

da

crta

samo

tragove

 č

estica

koje

uzrokuju

 Č

erenkovljevu

emisiju

na

visini

na

kojoj

se

nalaze.

Uz

taj

filter,

u

alat

MAGICplottracks3b.f95

dodan

je

i

filter

kuta.

Time

MAGICplottracks3b.f95

crta

samo

tragove

nabijenih

 č

estica,

energija

viših

od

praga

 Č

erenkovljeve

emisije,

koji

se

nalaze

unutar

vidnog

polja

teleskopa

od

3.65

o

.

Ideja

za

ovaj

rad

proizašla

je

iz

razgovora

s

hrvatskim

dijelom

kolaboracije

MAGIC,

na

Institutu

Ru

đ

er

Boškovi

ć 

u

Zagrebu.

Prije

svega,

zahvaljujem

mentoru

i

autoru

teme

dr.

sc.

Dariu

Hrupecu

s

Instituta

Ru

đ

er

Boškovi

ć

,

koji

je

stru

č

nim

savjetima

i

znanstvenim

vodstvom

omogu

ć

io

izradu

ovoga

rada.

Na

krajnje

nesebi

č

noj

pomo

ć

i

i

poklonjenom

vremenu

sam

zahvalan

i

dr.

Mladenu

Rogini

s

Matemati

č

kog

odsjeka

Prirodoslovno

‐

matemati

č

kog

fakulteta

u

Zagrebu.

Tako

đ

er

bih

zahvalio

i

dr.

Johannesu

Knappu

s

britanskog

sveu

č

ilišta

u

Leedsu,

te

dr.

Dieteru

Hecku

i

Tanguyu

Pierogu

s

njema

č

kog

Instituta

za

nuklearnu

fiziku

u

Karlsruheu.

Profesionalnim

odnosom

i

jasnim

odgovorima

uveli

su

me

u

svoj

rad

koji

je

baza

ovog

rada.

Zahvalan

sam

i

dr.

Robertu

Wagneru

s

Instituta

Max

Planck

u

Münchenu

na

ustupljenim

slikama

te

Ivani

Lozi

ć 

koja

je

jezi

č

nim

savjetima

doprinijela

jasno

ć

i

ovog

teksta.

Na

kraju

bih

zahvalio

svojoj

obitelji,

djevojci

i

prijateljima

na

njihovoj

podršci

tijekom

cijelog

dodiplomskog

studija

 č

iji

je

vrhunac

upravo

ovaj

diplomski

rad.

1

Uvod

1.1

O

astro

č

esti

č

noj

fizici

Ve

ć 

od

po

č

etaka

civilizacije,

promatranje

neba

je

imalu

važno

mjesto

u

životu

ljudi

i

napretku

društva

te

se

razvijalo

uz

astronomska

otkri

ć

a

i

tehnologiju.

Od

ranih

kamenih

instrumenata

koji

su

signalizirali

najbolje

doba

za

sjetvu,

preko

opti

č

kih

teleskopa,

do

modernih

gama

‐

kamera

i

Č

erenkovljevih

detektora,

cilj

je

ostao

isti

 ‐ 

razumijevanje

prirodnih

procesa

u

svemiru

i

njihovog

utjecaja

na

nas.

Razvoj

fizike

donosi

nove

metode

i

na

č

ine

prou

č

avanja

neba.

Ve

ć 

u

sedamnaestom

stolje

ć

u,

za

nalaženje

putanja

planeta

otkrivenih

opti

č

kim

instrumentima,

bilo

je

potrebno

poznavanje

više

disciplina:

optike

i

gravitacije.

I

danas

svemir

prou

č

avamo

iz

aspekata

mnogih

grana

fizike:

kozmologije,

fizike

 č

estica,

astrofizike

i

astronomije.

Spajanjem

tih

grana,

nastala

je

moderna

disciplina

 ‐ 

astro

č

esti

č

na

fizika

1

.

Astro

č

esti

č

na

fizika

se

bavi

pitanjima

porijekla

kozmi

č

kih

zraka,

tamne

tvari

i

prirodom

gravitacije

i

svemirskih

objekata.

Eksperimentalni

aspekt

astro

č

esti

č

ne

fizike

uklju

č

uje

detekciju

neutrina,

gama

‐

zraka,

kozmi

č

kih

zraka

te

traganje

za

tamnom

tvari

i

izravnom

detekcijom

gravitacijskih

valova.

Otkri

ć

a

i

uspjesi

u

podru

č

ju

astro

č

esti

č

ne

fizike

u

zadnjih

dvadesetak

godina

 č

ine

to

polje

dinami

č

nim

i

interesantnim.

Neka

od

njih

su:

‐ 

objašnjenje

porijekla

dugih

provala

gama

‐

zraka

(eng.

long

GRB,

long

gamma

ray

burst),

one

nastaju

kolapsom

jezgre

supernove

u

crnu

rupu

u

dalekim

galaksijama

[1].

‐ 

neutrini

imaju

masu

 ‐ 

prvo

eksperimentalno

odstupanje

od

standardnog

modela

[2]

‐ 

2002.

godine

su

Ray

Davis

i

Masatoshi

Koshiba

dobili

Nobelovu

nagradu

za

fiziku

za

detekciju

kozmi

č

kih

neutrina,

sa

Sunca

i

supernove

SN1987A

u

Velikom

Mageljanovom

oblaku

[3]

‐ 

2006.

godine

su

John

C.

Mather

i

George

F.

Smoot

osvojili

Nobelovu

nagradu

za

otkri

ć

e

oblika

i

anizotropije

kozmi

č

kog

pozadinskog

mikrovalnog

zra

č

enja

[4]

Budu

ć

nost

astro

č

esti

č

ne

fizike

nosi

odgovore

na

brojna

bitna

fizikalna

pitanja,

što

je

u

Europi

u

doba

pisanja

ovoga

rada

i

prepoznato.

Ulaganja

u

detektore

gravitacijskih

valova

obe

ć

avaju

izravnu

detekciju

gravitacijskih

valova

unutar

pet

godina

te

dokaz

ili

odbacivanje

WIMP

teorije

tamne

tvari

unutar

deset

godina.

Tako

đ

er,

planirano

je

ulaganje

u

 Č

erenkovljeve

detektore

gama

‐

zraka

energija

reda

veli

č

ine

TeV

i

brojni

eksperimenti

orijentirani

na

detekciju

neutrina,

koji

za

cilj

imaju

detaljnije

prou

č

iti

CP

‐

narušenje.

[5]

1

Neki

autori,

mahom

u

S.A.D.

‐

u,

preferiraju

naziv

 č

esti

č

na

astrofizika

(particle

astrophysics).

1