جعل غير المرئي مرئيًا: جهاز بقيمة 100 دولار يكتشف الجزيئات الكونية التي تمر عبرك

يعمل كاشف الجسيمات بحجم الجيب على تسهيل الوصول إلى فيزياء الأشعة الكونية من الفصول الدراسية إلى التجارب الكبرى.

تمر الجسيمات من الفضاء السحيق عبر العالم من حولك الآن. لا تترك أي صوت أو طعم أو رائحة أو إحساس، ولكن باستخدام الكاشف الصحيح يمكن إحصاء وصولها واحدًا تلو الآخر.

تبدأ هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي جسيمات نشطة يمكن أن تنتج عن انفجار النجوم وغيرها من الأحداث الفيزيائية الفلكية المتطرفة خارج نطاق النظام الشمسي. عندما تضرب الأشعة الكونية ذرات عالية في الغلاف الجوي للأرض، فإنها تؤدي إلى تفاعل متسلسل ينتج عنه جسيمات ثانوية. إحدى النتائج المهمة هي الميون، وهو جسيم صغير قادر على السفر عبر الغلاف الجوي وحتى الوصول إلى تحت الأرض.

جامعة ديلاوير قام أستاذ الفيزياء سبنسر أكساني ببناء طريقة لجلب أمطار الجسيمات غير المرئية إلى الفصول الدراسية ومختبرات الأبحاث. اختراعه، كوزميكواتش، هو كاشف مدمج للميونات يمكن استخدامه من قبل العلماء ذوي الخبرة وطلاب المدارس الثانوية على حد سواء.

ويبلغ حجم الجهاز حجم علبة من المفرقعات الحيوانية، ويمكن تجميعه بأجزاء إلكترونية بقيمة 100 دولار تقريبًا. عندما يمر الميون، تضيء CosmicWatch، وتسجل الحدث وتخزن البيانات لتحليلها لاحقًا.

تم تصميم CosmicWatch في البداية كوسيلة ميسورة التكلفة لتعريف الطلاب بفيزياء الجسيمات. وقد وجد منذ ذلك الحين حياة ثانية في تجارب الفيزياء الفلكية الدولية، حيث إن صغر حجمه وتكلفته المنخفضة يجعل القياسات ممكنة في أماكن يصعب الوصول إليها باستخدام المعدات التقليدية.

قال أكساني: “تسمح لنا أجهزة الكشف CosmicWatch بإجراء المزيد من العمليات الفيزيائية بتكلفة أقل بشكل كبير، في شكل مدمج ومحمول، مما يفتح الباب أمام العديد من أنواع التجارب الجديدة وفرص التواصل”.

ولادة الكاشف

الميونات مهمة لأنها تحمل أدلة حول الأشعة الكونية التي خلقتها. من خلال قياس الميونات، يستطيع الفيزيائيون استنتاج طاقة وكتلة واتجاه الأشعة الكونية الأصلية، مما يساعدهم على دراسة الأجسام والأحداث القوية مثل المستعرات الأعظم وانفجارات أشعة جاما والتوهجات. ساعد تدفق الميون أيضًا في تقديم أحد أقدم التأكيدات التجريبية لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين في أوائل الأربعينيات.

فائدتها لا تقتصر على الفضاء. ونظرًا لأن الميونات يمكنها المرور عبر مواد مثل الجدران والصخور والأنسجة البشرية دون التسبب في أي ضرر، فيمكن استخدامها للنظر داخل الهياكل الكبيرة التي يصعب فحصها. في عام 2016، ساعدت تقنية الميون في الكشف عن ممر مجهول داخل الهرم الأكبر بالجيزة.

وكان التحدي دائما هو الوصول. العديد من أجهزة كشف الميونات كبيرة ومكلفة ويصعب نقلها، مما يحد من استخدام الفصول الدراسية ونطاق التجارب التي يمكن تجربتها.

قال أكساني: “تستخدم دورة مختبر الفيزياء النموذجية في المرحلة الجامعية رفًا من الإلكترونيات بحجم رف كتب صغير لقياس الميونات”.

أنشأ أكساني CosmicWatch في عام 2017 عندما كان طالبًا في الدراسات العليا مع. في البداية، كان هدفه عمليًا: بناء كاشف صغير للميونات منخفض الطاقة مرصد آيس كيوب في القارة القطبية الجنوبية. آيس كيوب هو كاشف ضخم مدفون تحت الجليد يدرس النيوترينوات، وهو نوع آخر من الجسيمات دون الذرية. يساعد كاشف الميونات علماء IceCube على فصل جزيئات الخلفية عن النيوترينوات التي يحاولون اكتشافها.

تغير المشروع اتجاهه عندما أدرك أكساني أن نفس التصميم يمكن أن يصبح أداة تعليمية. يمكن للكاشف المحمول وغير المكلف أن يتيح للطلاب التعامل مع بيانات فيزياء الجسيمات الحقيقية دون الحاجة إلى مختبر كامل من الإلكترونيات المتخصصة.

وبعد انضمامه إلى هيئة التدريس في جامعة UD في عام 2022، واصل أكساني تحسين الجهاز وأصدر مؤخرًا نسخته الثالثة. الترقيات، الموضحة في مقال أكتوبر في مجلة الأجهزة، السماح لـ CosmicWatch بمراقبة بيئتها المحلية والبقاء على قيد الحياة عند مستويات الإشعاع العالية وجمع البيانات بسرعة أكبر.

قالت ماسوما سارفراز، طالبة الدكتوراه في مختبر أكساني والمؤلفة الرئيسية لمقال المجلة: “على الرغم من أنني درست الأشعة الكونية، إلا أنني لم أقدّر تمامًا الفيزياء الغنية وراء عمل هذه الكواشف من أجل “رؤية” العالم وإنتاج الجسيمات في الغلاف الجوي”. “بالنسبة لطالب مثلي كان يعمل على الأفكار النظرية، كانت هذه فرصة مثالية للتعمق في الجانب التجريبي. كما أنه يرتبط بشكل جميل بعملي البحثي الأوسع الحالي في فيزياء الجسيمات.”

تعد أحدث ساعة CosmicWatch مفيدة لمعايرة أجهزة الكشف واسعة النطاق، ويتم استخدامها الآن في تجربة NuDot في UD وكاشف المادة المظلمة Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) في لوس ألاموس، نيو مكسيكو. ويجري تطوير نسخة أخرى لقياس الأشعة الكونية الأولية على متن الصواريخ والمركبات الفضائية.

العلم في العمل

تظل CosmicWatch أداة تعليمية في جامعة UD، حيث يستخدمها Axani لتعريف الطلاب بالفيزياء الجزيئية والنووية والفيزياء الفلكية. يقوم الطلاب ببناء أجهزة الكشف بأنفسهم، ويتعلمون كيفية عمل الإلكترونيات عالية السرعة، ثم يستخدمون الأجهزة لإجراء التجارب التي يصممونها.

اخترع أستاذ الفيزياء بجامعة UD، سبنسر أكساني، كاشفًا محمولًا ومنخفض التكلفة يستشعر الجسيمات غير المرئية من الفضاء والتي تسمى الميونات. تساعد الميونات العلماء على معرفة المزيد عن بعض الظواهر الأكثر تطرفًا في الكون، مثل انفجارات النجوم وانفجارات أشعة جاما والنجوم اللامعة. يتم استخدام CosmicWatch في تجارب الفيزياء الفلكية الدولية، وفي الفصول الدراسية بالمدارس الثانوية والكليات في جميع أنحاء البلاد، لتعريف جيل جديد من العلماء بمجال فيزياء الجسيمات. الائتمان: جامعة ديلاوير

قام مسرات شمس، وهو طالب دكتوراه في برنامج علوم وهندسة الكم، بتعديل ساعته CosmicWatch عن طريق إضافة أجهزة استشعار لدرجة الحرارة والضغط. أراد استخدامه للتحقيق في الأشعة الكونية في الغلاف الجوي العلوي للأرض.

وفي شهر مايو/أيار، أرسل شمس الجهاز على متن منطاد عالي الارتفاع وصل إلى 100 ألف قدم، بالقرب من حافة الفضاء. وبعد دراسة البيانات، تمكن من إظهار كيف يتغير تدفق الأشعة الكونية من الفضاء الخارجي مع الارتفاع.

وقال: “إنه أمر رائع للغاية أن نبني شيئًا في المختبر في غضون يومين يكون قادرًا على اكتشاف هذه الجسيمات الرائعة على بعد مئات السنين الضوئية”.

تصل CosmicWatch أيضًا إلى الفصول الدراسية خارج نطاق UD. ناتاشا هولمز، الأستاذة المساعدة للفيزياء في جامعة كورنيل، طلبت من طلابها في دوراتها التمهيدية في الفيزياء بناء أجهزة الكشف واستخدامها في التجارب. بالنسبة لهولمز، لا تتمثل القيمة في أن يتعلم الطلاب مفهومًا ما فحسب، بل في أن يعملوا مثل علماء الفيزياء التجريبية.

وقالت: “يبدو أن الطلاب متحمسون حقًا للقيام بهذا الشيء الذي يشبه إلى حد كبير ما يفعله في الواقع علماء فيزياء الجسيمات والفيزيائيون التجريبيون”. “يتعلمون بعض الترميز باستخدامه، وفي بعض الأحيان يكسرون الأجهزة ثم يتعين علينا التحدث معهم حول توخي الحذر عند التعامل مع أجهزتك. إنه مختلف تمامًا عن مختبر الفيزياء النموذجي. لقد قال الطلاب إنهم يمارسون “العلم الحقيقي” بعد استخدامه.”

الفيزياء العالمية

ويقدر أكساني أنه تم بناء الآلاف من أجهزة الكشف عن CosmicWatch منذ إصدار الإصدار الأول قبل ثماني سنوات. ويأمل أن ينمو العدد ليصبح شبكة علمية عالمية للمواطنين، حيث يقوم الأشخاص في جميع أنحاء العالم بقياس معدلات الميونات المحلية وإرسال بياناتهم إلى موقع مشترك عبر الإنترنت.

وهو يعمل أيضًا على تطوير كاشف ذي صلة يمكن أن يساعد مجموعات الأقمار الصناعية على الاستجابة لبيئتها. على سبيل المثال، يمكن لأجهزة الكشف أن تحذر الأقمار الصناعية من التوهجات الشمسية، مما يسمح لها بإيقاف الطاقة عند الحاجة.

بدأ المشروع كجهد توعية تعليمي، لكنه انتقل منذ ذلك الحين إلى الأبحاث وأعمال المعايرة والتطبيقات الفضائية المحتملة.

وقال أكساني: “على الرغم من أنه بدأ كبرنامج تعليمي، إلا أنه وجد استخدامًا في الكثير من مجالات الفيزياء المختلفة”. “إنه رائع جدًا.”

المرجع: “CosmicWatch: The Desktop Muon Detector (v3X)” بقلم Spencer N. Axani وMasooma Sarfraz وMiles Garcia وCollin Owens وKatarzyna Frankiewicz وجانيت إم كونراد، 22 أكتوبر 2025، مجلة الأجهزة.
دوى: 10.1088/1748-0221/20/10/P10040

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.