Nazwa Projektu: Poszukiwania makroskopowej ciemnej materii w za pomocą naziemnych i kosmicznych kamer o wysokiej czułości

Akronim Projektu: OPUS 19c

Budżet Projektu: 1 393 464 PLN

Czas trwania projektu: 01.04.2021- 31.03.2025

Kierownik Projektu: dr Kenji Shinozaki

Opis Projektu:

Projekt badawczy „Poszukiwania makroskopowej ciemnej materii za pomocą naziemnych i kosmicznych kamer o wysokiej czułości” ma na celu odkrycie tajemniczej ciemnej materii. Ostatnie obserwacje wskazują, że około 29% naszego Wszechświata składa się z ciemnej materii. Uważa się, że ciemna materia powstała we wczesnym Wszechświecie i pozostała do dziś. Pomimo wielu prób eksperymentalnych i teoretycznych, w ciągu ostatniego półwiecza nie poczyniono żadnych odkryć. W tym projekcie stosujemy nowatorskie podejście do poszukiwania tajemniczej ciemnej materii. De Rujula i Glashow (1984) opublikowali „nuklearyt”, teorię dotyczącą nowego typu ciemnej materii. Co ciekawe, ich artykuł wykazał, że nukleity można „obserwować” w atmosferze, podobnie jak meteory. Nuklearyty są klasyfikowane jako „dziwna materia kwarkowa”, rodzaj ciemnej materii. Składają się z prawie równej liczby kwarków górnych, dolnych i dziwnych, otoczonych chmurą elektronów i są elektrycznie obojętne. Teoretycznie nukleity mogą mieć dowolną masę, dochodzącą do masy pozwalającej na utworzenia gwiazdy kwarkowej wielkości gwiazdy neutrinowej. Podobnie jak Ziemia obracającą się wokół Słońca, nukleity są związane grawitacją Drogi Mlecznej. W pobliżu Słońca poruszają się z prędkością zbliżoną do galaktycznego obrotu ~220 km/s. Model De Rujúli i Glashowa wskazuje, że 1 kg nukleitów ma rozmiar ~600 nm. Bardzo szybko poruszające się nukleity uderzają i ogrzewają atomy w powietrzu, powodując promieniowanie zgodne z promieniowaniem ciała doskonale czarnego, aż ostygną. Zjawisko to ma miejsce na całej ścieżce nukleitu. Skutkuje to emisją światła podobną do spadających meteorów, ale ma miejsce w pobliżu poziomu morza, gdzie gęstość powietrza jest wysoka. Można je odróżnić dzięki innej prędkości i mechanizmowi emisji od meteorów i innych szumów tła. W tym projekcie interesuje nas poszukiwanie nukleitu poprzez dwa eksperymenty. Jednym z nich jest Mini-EUSO, a drugim DIMS. Pierwsza z nich to międzynarodowa misja współpracy w ramach programu JEM-EUSO. Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) przewodziło polskiej grupie w programie. W październiku 2019 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) rozpoczęliśmy działanie teleskopu Mini-EUSO, aby monitorować Ziemię w nocy w paśmie ultrafioletowym. Ten ostatni jest eksperymentem naziemnym przeprowadzonym przez kilku kluczowych członków programu JEM-EUSO. DIMS obsługuje kamery cyfrowe o wysokiej czułości do obserwacji meteorów w obserwatorium promieniowania kosmicznego o ultrawysokiej energii Telescope Array na pustyni w Utah w USA. Grupa DIMS planuje umieścić cztery zdalnie sterowane kamery obserwacyjne do obserwacji meteorów, zwłaszcza tych spoza Układu Słonecznego. W ramach tego projektu utworzymy nową polską grupę w NCBJ, która przygotuje i będzie obsługiwać nową stację pomiarową, która będzie specjalizowała się w poszukiwaniach nukleitu. Teleskop Mini-EUSO jest w stanie wykonać ultraszybkie wideo z 2304 pikseli, z maksymalną prędkością 400 000 klatek na sekundę, pozwalające szczegółowo zbadać zjawiska szybkiego emitowania światła w atmosferze. Na orbicie Mini-EUSO wykonuje zdjęcia chronofotograficzne z prędkością około 24 klatek na sekundę, tworząc filmy o powierzchni 300 km x 300 km. Udało nam się już zrobić pierwsze zdjęcie centralnej Polski w paśmie UV oraz wykryć wiele meteorów. W tym projekcie poszukujemy nukleitów w skali kilogramowej. Eksperyment DIMS wykorzystuje komercyjne aparaty cyfrowe z 2-megapikselową matrycą CMOS o maksymalnej czułości odpowiadającej ISO 4 000 000. W operacji pilotażowej w Utah gwiazdy o jasności 10 magnitudo można rozpoznać już przy ekspozycji 1/30 s na poziomie ISO 204 000. Udało się zarejestrować ~3800 meteorów w ciągu 40 godzin przy użyciu dwóch kamer CMOS. Po raz pierwszy od artykułu z 1984 roku, stacje DIMS pozwalają na realizację poszukiwań nukleitu . Chociaż obecne jednostki DIMS zostały zoptymalizowane do badań meteorów, naszym celem jest poszukiwanie około 1 grama nukleitu przechodzącego w promieniu ~30 km poprzez optymalizację nowo wprowadzonej jednostki z Polski w tym projekcie. W tym projekcie dążymy do odkrycia nukleitów lub określenia górnych limitów strumieni nukleitu. Uważamy, że najbardziej rygorystyczna górna granica nuklerytów niezawodnie podana przez obserwatorium neutrin ANTARES na Morzu Śródziemnym. Zarówno Mini-EUSO, jak i DIMS mają możliwość monitorowania przejścia nukleitów większą niż ANTARES. Spodziewamy się zatem poprawy tego limitu, aby ograniczyć modele teoretyczne. Przewidujemy również przyszłe zastosowanie technologii CMOS w kosmosie.