مصفوفة التزامن الزمني لمنطقة واشنطن الكبرى

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مصفوفة واشنطن واسعة النطاق لتزامن الزمن (WALTA) هي تجربة فيزيائية للأشعة الكونية تُديرها جامعة واشنطن لدراسة الأشعة الكونية فائقة الطاقة (>10^ 19 إلكترون فولت). يستخدم البرنامج أجهزة كشف موزعة في مدارس ثانوية وكليات بمنطقة سياتل ، وترتبط هذه الأجهزة عبر الإنترنت، لتشكل بذلك مصفوفة واسعة النطاق لرصد الأشعة الكونية. بالإضافة إلى العمل على مستويات تدفق الأشعة الكونية فائقة الطاقة غير المفسرة، يهدف البرنامج إلى أن يكون أداة تعليمية لزيادة مشاركة طلاب المدارس الثانوية والكليات المجتمعية في دراسة الفيزياء من خلال تجربة فيزيائية على مستوى الجامعة. يحتوي كل موقع على ثلاثة إلى أربعة أجهزة كشف وميضية، بهدف توفير مواقع كافية لتغطية مساحة 200  كيلومتر مربع حول مدينة سياتل. تُعد WALTA جزءًا من مشروع NALTA الأوسع نطاقًا [ 1 ] ، والذي يهدف إلى دمج البيانات من عدة مشاريع مماثلة لـ WALTA لتعزيز استكشاف الأشعة الكونية فائقة الطاقة.

خلفية

الأشعة الكونية

الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة تقصف الغلاف الجوي للأرض. [ 2 ] حوالي 89% منها بروتونات. [ 3 ] يتناسب تدفق الأشعة الكونية تقريبًا عكسيًا مع الطاقة (E/ a )، حيث E هي الطاقة وa تتراوح قيمتها بين 2 و3 حتى حد الأشعة الكونية فائقة الطاقة (UHECR). الأشعة الكونية المتولدة في مجرتنا والتي تقل طاقتها عن 10^ 18 إلكترون فولت تُحاصر بواسطة المجال المغناطيسي للمجرة. أما الجسيمات ذات الطاقة الأعلى من ذلك، فيُفترض أن تفلت، لذا من المرجح أن تأتي الأشعة الكونية عالية الطاقة من خارج مجرتنا. وفقًا لنموذج غريسن، زاتسيبين، كوزمين ( GZK )، يُفترض أن الأشعة الكونية بين المجرات التي تزيد طاقتها عن 10 ^20 إلكترون فولت تُمتص بواسطة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي نتيجةً لإنتاج البيونات والأزواج . في عملية إنتاج البيونات، تمتلك البروتونات (الأشعة الكونية فائقة الطاقة) التي تزيد طاقتها عن 10²⁰ إلكترون فولت طاقة كافية للتفاعل مع إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لتكوين البيونات، بينما تمتلك البروتونات التي تزيد طاقتها عن 10¹⁷ إلكترون فولت طاقة كافية للتفاعل مع أزواج الإلكترون-بوزيترون الناتجة عن إنتاج الأزواج. تؤدي هذه التفاعلات إلى فقدان الأشعة الكونية فائقة الطاقة خارج المجرة طاقةً كبيرةً جدًا بحيث لا تصل إلى الأرض. [ 4 ] وقد رصد الفيزيائيون أشعة كونية ذات طاقات عند هذا المستوى منذ عام 1963. [ 5 ] وتزعم بعض تجارب الأشعة الكونية أنها رصدت مستويات من الأشعة الكونية فائقة الطاقة تتجاوز تنبؤات GZK، [ 6 ] بينما تزعم تجارب أخرى رصد مستويات تقارب التنبؤات. [ 7 ] وتُعد هذه التجارب المتضاربة دافعًا لإجراء المزيد من الدراسات حول الأشعة الكونية فائقة الطاقة، وبالتالي إجراء تجارب مثل تجربة WALTA.

الكشف على سطح الأرض

لا تصل الأشعة الكونية التي تصطدم بالغلاف الجوي للأرض عادةً إلى سطحها على شكل بروتونات. بل تتفاعل مع نوى جزيئات الغلاف الجوي، مُسببةً سلسلة من الجسيمات تُعرف باسم وابل الأشعة الكونية. يُشير عدد الجسيمات الناتجة إلى طاقة الأشعة الكونية، بينما تُحدد تفاصيل أنواع الجسيمات وتوزيعها نوع الأشعة الكونية (بروتون، أشعة غاما، إلخ). [ 8 ] قد تغطي جبهة وابل الأشعة الكونية فائقة الطاقة عدة كيلومترات مربعة، مما يستلزم إما كاشفًا ضخمًا أو عدة كواشف موزعة. يجب أن تتواصل هذه الكواشف فيما بينها أو مع مصدر مركزي لتحديد وقت رصدها لوابل الأشعة الناتجة عن الحدث نفسه. يقوم مشروع WALTA بوضع عدة كواشف وميضية في مدارس محلية في سياتل، لتغطية المساحة اللازمة لتسجيل أحداث الأشعة الكونية فائقة الطاقة.

إعداد والتا

يهدف مشروع WALTA إلى تركيب أجهزة كشف في 32 موقعًا على الأقل في منطقة سياتل، تغطي مساحة 200 كيلومتر مربع. [ 9 ] هذه المساحة كافية لرصد الأحداث التي تتجاوز عتبة GZK. ويأمل البرنامج في سدّ الثغرات في هذه المنطقة مع تطور المشروع. يحتوي كل موقع على أربعة كواشف وميضية تُصدر ضوءًا عند اصطدامها بجسيمات مشحونة. يبلغ سمك كل كاشف حوالي بوصة واحدة، ويغطي مساحة متر مربع تقريبًا. من الناحية المثالية، يُرتب كل موقع الكواشف على شكل نجمة، مع وجود كاشف واحد في المنتصف وثلاثة كواشف أخرى تحيط به على دائرة نصف قطرها 10 أمتار مربعة . وبهذا الترتيب، يمكن لكل موقع رصد أحداث طاقة تتراوح بين 10 و15 إلكترون فولت. [ 9 ] سيسعى كل موقع إلى تطبيق هذا الترتيب بأفضل شكل ممكن وفقًا لخصائصه الجغرافية. يحتوي كل كاشف على أنبوب مضاعف ضوئي يُضاعف الضوء المنبعث ليُنتج إشارة كهربائية قوية. تُرسل الإشارة من كل كاشف إلى بطاقة تجميع بيانات (DAQ) مُبرمجة لتسجيل الأحداث بناءً على تزامن مُحدد. تحتوي بطاقة جمع البيانات أيضًا على مدخل GPS. يتصل مخرج هذه البطاقة بجهاز كمبيوتر عبر منفذ تسلسلي، ويقوم برنامج بحساب البيانات مع تحديد موقع GPS والطابع الزمني. يمكن للموقع تحميل البيانات إلى خادم WALTA، حيث يمكن مقارنة البيانات لمعرفة ما إذا كانت الأحداث ناتجة عن نفس الدُفعة. يُحدد توقيت الأحداث والمنطقة التي غطتها طاقة وموقع اصطدام الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض.

دوافع والتا

تُظهر تجارب مثل AGASA عددًا أكبر من الأشعة الكونية فائقة الطاقة (UHECRs) مما هو متوقع وفقًا لحدود GZK، بينما تزعم تجارب أخرى، مثل تعاون بيير أوجيه، أن طيف هذه الأشعة يتوافق مع الانخفاض المتوقع وفقًا لنظرية GZK. [ 10 ] وبناءً على نظرية GZK، يجب أن تنشأ الأشعة الكونية فائقة الطاقة ضمن نطاق 100 ميجا فرسخ فلكي من مجرتنا، ولكنها قادرة على الإفلات من المجال المغناطيسي للمجرة البالغ 3 ميكرو جاوس. ولا يوجد مصدر مجري معروف لهذه الأشعة. من المحتمل أن تكون قادمة من خارج المجرة، وأن فيزياءً غير معروفة تسمح لها بتجاوز نظرية GZK، أو أنها من مصدر مجري غير معروف. وهناك أيضًا اقتراحات بأنها تنشأ من المادة وتتواجد في مجال مغناطيسي بين المجرات بنصف قطر لارمور، أو أنها مرتبطة بالكوازارات الراديوية المدمجة. [ 11 ] تحفز هذه التجارب إجراء المزيد من الأبحاث حول الأشعة الكونية فائقة الطاقة، مما يؤدي إلى جمع بيانات أكبر. تعتزم WALTA تغطية جزء كبير من منطقة سياتل، وستقوم بالتنسيق مع NALTA الأكبر التي تغطي العديد من المواقع في أمريكا الشمالية.

مراجع

  1. ↑ "NALTA: فيزياء الأشعة الكونية باستخدام شبكات الكشف المدرسية" .
  2. ↑ نارليكار (1977)، صفحة 97.
  3. ↑ "الأشعة الكونية - ريتشارد ميوالدت" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 يوليو 2009 .
  4. ↑ غريسن 1966، الصفحة 749.
  5. ↑ لينسلي 1963، صفحة 146.
  6. ^ يوشيدا وآخرون. 1995، الصفحة 105
  7. ↑ العباسي وآخرون. 2008، الصفحة 1.
  8. ^ "الملخص التنفيذي لـ WALTA/NNODE" .
  9. 1 2 "مصفوفة واشنطن الكبيرة لتزامن الوقت" (ملف PDF) . neutrino.phys.washington.edu . 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 أغسطس 2020 .
  10. ↑
  11. ↑ المدينة المنورة تانكو 1999، صفحة L91.