Jeden rok večerního sledování televize, jedna cesta letadlem z východního na západní pobřeží USA nebo 3 dny strávené v Atlantě. Všemi těmito činnosti do sebe průměrný Severoameričan dostane dávku 0,1 miliSievertu (mSv) ionizujícího záření.

Dalších přibližně 6,1 mSv za rok načerpá tím, že chodí k lékaři, jí, pije, dýchá a funguje ve světě, ve kterém je doslova vše z nějaké části radioaktivní – i jeho vlastní tělo.

Godzilla – Hulk – člověk

Radioaktivní záření přeměnilo jaderného fyzika na neuvěřitelného Hulka, čtyři astronauty na Fantastickou čtyřku, a obyčejnou ještěrku v Godzillu. Mimo plátna filmových blockbusterů (trhák, pozn. red) radiace na organismus působí o poznání méně epicky.

V lidském těle vytváří ionizující záření chemikálie zvané volné radikály, což jsou velice aktivní molekuly, které mohou poškozovat DNA a likvidovat buňky. Mírná otrava ozářením se projevuje bolestí hlavy a narušeným imunitním systémem se objevuje už při dávce 500–1000 miliSievertu (mSv).

To je ekvivalent 500–100 rentgenů najednou a až 400násobek toho, co Severoameričan obdrží za celý rok. Expozitura více než 2000 mSv najednou bývá smrtící téměř okamžitě. To jsou ale extrémní příklady. Mnohem menším dávkám radiace jsme vystavování v každé sekundě našich životů kvůli kosmickému záření.

Nejenergetičtější částice

To víme už dlouho, ale nově – možná – víme, že částice kosmického záření o nejvyšších energiích pronikají do atmosféry pravděpodobně mnohem hlouběji, než se dosud předpokládalo. Přilétající částice budou tedy zřejmě i výrazně těžší.

Nové poznatky vyplývají z metody, která zobecňuje přístup k předpovědím modelů srážek vesmírných částic se zemskou atmosférou. Jejím autorem je astročásticový fyzik Jakub Vícha z Fyzikálního ústavu AV ČR, který zkoumá nejenergetičtější částice přilétající z vesmíru pomocí dat z největšího současného experimentu na světě – Observatoře Pierra Augera v Argentině. Studii publikoval časopis Physical Review D.

Jaký je původ částic?

Unikátní metoda zároveň posouvá vědu o krůček blíže k odhalení jedné z největších záhad fyziky, a sice jaký je původ částic z vesmíru, které bombardují vzdušný obal planety Země? „Především u částic s nejvyšší energií stále nevíme, co by mohly být zdroje nejextrémnějších procesů ve vesmíru, které umožňují jejich vznik,“ vysvětluje Jakub Vícha z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Složení těchto částic se odhaduje pouze nepřímo, a to na základě z měření sekundárních částic, které vznikají kaskádovitě po srážce primární kosmické částice s jádrem v atmosféře. Některé z těchto sekundárních částic, například miony, přitom dopadají až na zem.

Mezi pozorováním a modelovými předpověďmi množství dopadajících mionů doposud panoval velký nesoulad.

„Naše interpretace měření poukázala na to, že spršky částic ultravysokých energií pravděpodobně pronikají mnohem hlouběji do atmosféry, než jsme si mysleli,“ vysvětluje Jakub Vícha. „Zároveň se ukazuje, že složení kosmického záření, které se právě nejčastěji určuje podle zmíněné pronikavosti spršek, může být i výrazně těžší, než se běžně uvažovalo, a obsahovat tedy více těžších jader,“ dodává vědec.

Čím převratnější myšlenka, tím větší odpor

Revoluční metoda Jakuba Víchy výrazně zpřesnila popis naměřených dat. Zároveň poprvé jednoznačně prokázala neschopnost předchozích modelů popsat naměřená data spolehlivě. V jejím důsledku nyní astročásticoví fyzici zřejmě přehodnotí výsledky dosavadních publikovaných prací týkajících se složení kosmického záření ultravysokých energií.

Ve vědecké komunitě zprvu nový postup narazil na nedůvěru a odpor. Metodu českého vědce ověřovaly stovky astročásticových fyziků z Observatoře Pierra Augera, nakonec na celkem 2239 sprškách částic detekovaných zároveň fluorescenčním a povrchovým detektorem s energiemi mezi 3 a 10 EeV (exa elektronvolty).

Po šesti letech od první prezentace konečně publikuje výsledky časopis Physical Review D.

„Byla období, kdy jsem cítil velkou deprivaci, že moje metoda není přijata, ale nebyl jsem schopen přijít na to, co dělám špatně. Byl jsem přesvědčen, že je všechno tak, jak má být, a nikdo také vlastně nenašel nějakou chybu v mém postupu,“ zdůrazňuje Jakub Vícha.

Metodu nadále prosazoval i za podpory některých nejuznávanějších kolegů v naší komunitě. „Říkali mi: čím revolučnější výsledek, tím větší odpor vyvolá, chce to čas,“ dodává astročásticový fyzik a nositel prémie Lumina quaeruntur za rok 2023.

Extrapolace do vyšších energií s sebou přináší velké systematické chyby

Při interpretaci dat kosmického záření ultravysokých energií se výzkumníci spoléhají na předpovědi modelů hadronických interakcí, které ovšem nepopisují naměřené vlastnosti spršek dostatečně spolehlivě.

Tyto modely byly vytvořeny na základě poznatků z hadronových urychlovačů, jako je např. LHC v CERN poblíž Ženevy, nicméně nejenergetičtější kosmické částice přesahují dokonce hodnoty 100 EeV, což výrazně převyšuje možnosti zkoumání pozemských urychlovačů.

Vlastnosti hadronických interakcí se tedy musí v modelech extrapolovat na o mnoho řádů vyšší energie, což vnáší významnou systematickou nejistotu do interpretací měření kosmického záření. Nyní se ukazuje, že modely potřebují být zpřesněny mnohem komplexněji než jen generováním většího množství mionů, což je už samo o sobě dosti problematické.

V kosmickém záření ultravysokých energií se tedy zřejmě objevuje více těžších částic, jako jsou například jádra železa, což má zásadní vliv na hledání jejich zdrojů na nejvyšších energiích. Čím mají totiž částice větší náboj, tím více se zakřivují v magnetickém poli naší Galaxie, a tím je jejich směr příletu více vzdálený od směru jejich zdroje na obloze.

„Příroda je prostě daleko komplikovanější, než bychom chtěli, a ztěžuje tak naši snahu konečně odkrýt, odkud k nám tyto částice přilétají. Nicméně postupně zužujeme prostor možností a jednou se snad dočkáme odhalení, jak a kde tyto nejextrémnější procesy ve vesmíru probíhají,“ uvádí Jakub Vícha.

Poslové nejextrémnějších procesů ve vesmíru

Vysokoenergetické kosmické záření je proud nabitých částic přicházející z vesmíru. Část z nich pochází ze Slunce, část z naší Galaxie a ty nejvzácnější, poslové nejextrémnějších procesů ve vesmíru, jak je nazývá astročásticový fyzik Jakub Vícha, přilétají dokonce až z jiných galaxií.

Odkud primární částice přiletěla, než spustila spršku sekundárních částic, jakou měla energii a co to vlastně bylo za částici, se vědci snaží odvodit ze signálů způsobených sekundárními částicemi spršky v detektorech umístěných na povrchu Země.

Tím nejlepším současným detektorem na světě je Observatoř Pierra Augera v Argentině, na jejíž výstavbě, provozu a analýze naměřených dat se podílejí i vědci z České republiky..