Washington Area Large-scale Time-coincidence Array (WALTA) — это эксперимент по физике космических лучей , проводимый Вашингтонским университетом для исследования космических лучей сверхвысокой энергии (>10 19 эВ). Программа использует детекторы, размещенные в средних школах и колледжах Сиэтла , которые связаны через Интернет, эффективно образуя массив обширных атмосферных ливней . Помимо работы над необъяснимыми уровнями потока космических лучей сверхвысокой энергии (UHECR), она надеется послужить педагогическим инструментом для повышения вовлеченности в физику средних школ и общественных колледжей с помощью физического эксперимента университетского уровня. На каждом участке есть от трех до четырех сцинтилляционных детекторов с целью иметь достаточно участков для покрытия площади в 200 км 2 вокруг города Сиэтл. WALTA является частью более крупного проекта NALTA [1] , который надеется объединить данные из нескольких проектов, подобных WALTA, для дальнейшего изучения космических лучей сверхвысокой энергии.
Космические лучи — это частицы высокой энергии, которые бомбардируют атмосферу Земли. [2] Около 89% из них — протоны. [3] Поток космических лучей приблизительно пропорционален 1/(E a ), где E — энергия, а a находится где-то между 2 и 3 вплоть до предела КЛУВЭ. Космические лучи, созданные в нашей галактике с энергией менее 10 18 эВ, захватываются магнитным полем галактики. Частицы выше этого должны выходить, поэтому космические лучи высокой энергии, вероятно, приходят извне нашей галактики. Согласно обрезанию Грейзена, Зацепина, Кузьмина ( ГЗК ), межгалактические космические лучи выше 10 20 эВ должны поглощаться космическим микроволновым фоновым излучением из-за образования пионов и пар. При образовании пионов протоны (UHECR) выше 10 20 эВ имеют достаточно энергии для взаимодействия с реликтовым излучением для создания пионов, а выше 10 17 эВ имеют достаточно энергии для взаимодействия с парами электрон-позитрон из парного образования. Эти взаимодействия могут привести к тому, что внегалактические UHECR потеряют слишком много энергии, чтобы достичь Земли. [4] Физики наблюдают космические лучи с энергиями на этом уровне с 1963 года [5] Некоторые эксперименты с космическими лучами утверждают, что они видели уровни UHECR, превышающие предсказание GZK, [6] в то время как другие утверждают, что обнаружили уровни, примерно эквивалентные предсказанию [7] Такие противоречивые эксперименты являются мотивацией для дальнейшего изучения UHECR и, следовательно, экспериментов, таких как WALTA.
Космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, как правило, не достигают поверхности Земли в виде протонов. Вместо этого они взаимодействуют с ядрами атмосферных частиц и вызывают каскад частиц, известный как воздушный ливень. Количество образующихся частиц указывает на энергию космических лучей, а детали типов частиц и их распределений указывают на тип космических лучей (протон, гамма-луч и т. д.). [8] Фронт воздушного ливня от космических лучей сверхвысокой энергии может охватывать несколько квадратных километров, и поэтому для его обнаружения потребуется либо очень большой детектор, либо несколько разбросанных детекторов. Эти детекторы должны будут взаимодействовать друг с другом или с центральным источником, который мог бы определять, когда они обнаруживают ливни от одного и того же события. WALTA размещает несколько сцинтилляторов в местных школах Сиэтла, тем самым покрывая необходимую площадь для регистрации событий сверхвысокой энергии.
Целью WALTA является установка детекторов по крайней мере в 32 местах в районе Сиэтла, охватывающих площадь в 200 квадратных километров. [9] Эта область будет достаточно большой, чтобы обнаруживать события выше порога GZK. Программа надеется заполнить пробелы в этой области по мере развития проекта. В каждом месте есть четыре сцинтилляционных детектора, которые излучают свет при столкновении с заряженными частицами. Каждый детектор-лопасть имеет толщину около дюйма и охватывает приблизительно один квадратный метр. В идеале каждый участок должен разместить детекторы в звездообразной формации с одним детектором в середине и тремя вокруг него на окружности радиусом 10 м 2 . При такой геометрии каждый участок может обнаружить 10 15 событий эВ. [9] Каждый участок будет пытаться использовать эту схему как можно лучше, учитывая собственную географию участка. Каждый детектор имеет фотоумножительную трубку , которая умножает излучаемый свет в большой электрический сигнал. Сигнал с каждого детектора-лопатки поступает на карту сбора данных (DAQ), которая настроена на запись события на основе определенного совпадения. Карта DAQ также имеет вход GPS. Выход этой карты подключается к компьютеру с помощью последовательного порта, и программное обеспечение подсчитывает данные с местоположением GPS и временной меткой. Сайт может загрузить данные на сервер WALTA, и данные можно будет сравнить, чтобы увидеть, происходят ли события от одного и того же ливня. Время событий и охваченная область сообщают об энергии и месте, где космический луч попал в атмосферу Земли.
Такие эксперименты, как AGASA, показывают большее количество КЛ УВЭ, чем ожидалось по пороговому значению GZK, в то время как другие эксперименты, такие как Pierre Auguer Collaboration, утверждают, что спектр КЛ УВЭ соответствует спаду, предсказанному GZK. [10] КЛ УВЭ, основанные на GZK, должны были бы возникать в пределах 100 Мпк от нашей галактики, но могли бы вырваться из магнитного поля галактики в 3 микрогаусса. Также нет известного галактического источника КЛ УВЭ. Возможно, что они находятся за пределами галактики, и неизвестная физика позволяет им преодолеть теорию GZK, или они происходят из какого-то неизвестного галактического источника. Есть также предположения, что они происходят из материи и находятся в межгалактическом магнитном поле с радиусом Лармора, или что они связаны с компактными радиоквазарами. [11] Эти эксперименты мотивируют дальнейшее исследование КЛ УВЭ, приводящее к большему набору данных. WALTA намерена охватить большую часть территории Сиэтла и будет координировать свою деятельность с более крупной NALTA, охватывающей несколько территорий в Северной Америке.