Významné mezinárodní spolupráce ve SLO UP a FZU AV ČR

Mezi nejvýznamnější mezinárodní spolupráce SLO patří zejména účast ve velkých mezinárodních kolaboracích v oblasti částicové a astročásticové fyziky. Z nich nejdůležitější jsou:

Observatoř Pierra Augera (PAO)

PAO je největší terestrickou astronomickou observatoří (plocha cca 3000 km²) určenou k detekci částic kosmického záření s ultravysokými energiemi (nad 10¹⁷ eV). Pracuje jako hybridní detektor (kombinace scintilačních detektorů registrujících sekundární částice ze spršky generované primární částicí a optických detektorů, které zachycují záblesky fluorescence generované sekundárními částicemi v atmosféře). Je postavena poblíž městečka Malargüe v argentinské pampě.

SLO se na projektu podílí zejména vývojem, výrobou a údržbou komponent optických fluorescenčních detektorů a také příspěvkem k řídícím systémům observatoře. Pracovníci SLO se podílejí v pravidelných shiftech na získávání dat observatoří. V poslední době SLO vyvinula (ve spolupráci s KIT Karlsruhe a BU Wuppertal) unikátní systém pro kalibraci fluorescenčních detektorů.

Primárním účelem observatoře je identifikace zdrojů kosmického záření s ultravysokými energiemi [Science 357 (2017) 1266; Astrophys. J. 976 (2024) 48], ale dosáhla i řady dalších cenných výsledků, jako např. podíl na pozorování srážky neutronových hvězd [Astrophys. J. Lett. 848 (2017) L12] nebo detekce laserového svazku emitovaného z oběžné dráhy [Optica 11 (2024) 263].

Na kolaboraci se podílí cca 500 vědců ze 17 zemí. SLO se kolaborace účastní jak pod UP tak pod FZÚ.
Stanice fluorescenčních detektorů Los Morados na Observatoři Pierra Augera (foto Steven Saffi, 2015, CC BY-SA 2.0).

Kolaborace FAST (Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes)

Kolaborace FAST vyvíjí novou generaci relativně levných detektorů kosmického záření, které se mohou stát základním prvkem budoucích observatoří kosmického záření. Tři prototypy jsou již provozovány v areálu observatoře Telescope Array (Utah, USA) a další dva jsou umístěny v areálu PAO v Argentině. Teleskopy jsou stále ve vývoji [Astropart. Phys. 119 (2020) 102430]. Nejnovější prototyp se testuje na observatoři Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově (více např. zde). SLO je zodpovědná zejména za vývoj optické části teleskopů a podílí se také na vývoji elektroniky a koncepci detektoru ve formě standardního a snadno transportovatelného kontejneru.

Na kolaboraci se podílí cca 30 vědců ze 4 zemí. SLO se kolaborace účastní jak pod UP tak pod FZÚ.
Prototyp teleskopu FAST v areálu observatoře v Ondřejově. V pozadí teleskop SST-1M.

Kolaborace CTA (Cherenkov Telescope Array)

Mezinárodní projekt CTA je určen pro originální a rozsáhlý výzkum kosmického gama záření a v současnosti se nachází ve stádiu přípravy a stavby observatoří (stavějí se dvě observatoře – na Kanárských ostrovech a v Chile).

Dva prototypy tzv. malých teleskopů (SST-1M) jsou umístěny v areálu Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově. Na těchto teleskopech jsou za značného přispění SLO vyvíjeny a testovány technologie projektu CTA. Teleskopy již nabírají data a pracují v tzv. stero módu (více např. zde). První výsledky jsou velmi nadějné a teleskopy vykazují mimořádnou citlivost a vysoké úhlové rozlišení.

Dvojice teleskopů SST-1M na observatoři Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově.

SLO se podílí významně i na výstavbě obou CTA observatoří, a to jak při přípravě, montáži a justáži teleskopů, tak i v řídících strukturách (D. Mandát je zástupcem české skupiny v LST Steering Committee, L. Chytka je zástupcem koordinátora optického podsystému teleskopu LST).

Teleskopy LST. M. Vacula a D. Mandát při instalaci komponent AMC systému LST4 (vlevo) a LST4 po instalaci zrcadlových segmentů (vpravo).

Kolaborace již v přípravné fázi produkuje cenné výsledky (např. sledování vysokoenergetických gama fotonů z Krabí mlhoviny [Astron. Astrophys. 690 (2024) A167].

Od 7. ledna 2024 evropská komise zřídila konsorcium CTAO ERIC, jehož se SLO účastní pod hlavičkou FZÚ a UP.
 

SWGO (The Southern Wide-field Gamma-ray Observatory)

SWGO je připravovaná širokoúhlá observatoř na jižní polokouli, která bude detekovat spršky gama záření o energiích 100 GeV až 100 TeV. V roce 2024 bylo vybráno hlavní kandidátské místo (pampa La Bola, Chile). SLO k výběru kandidátských míst významně přispělo dlouhodobým sledování stavu atmosféry na kandidátských místech pomocí celooblohových autonomních kamer. Dušan Mandát působí jako Working group coordinator kolaborace.

Pohled na lokaci Pampa La Bola, která byla vybrána pro observatoř SWGO. Lokace je součástí Atacama Astronomical Park v regionu Antofagasta, Chile, 4.770 m.n.m. (Foto: Cesar Ocampo, AAP.)

POEMMA (Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics) – EUSO SPB-3 (Extreme Universe Space Observatory, Super-Pressure Balloon 3 - PBR)

Kolaborace JEM-EUSO (Joint Exploratory Missions for Extreme Universe Space Observatory) spojuje vědecké projekty (mise), zaměřené na pozorování optických signálů generovaných v atmosféře Země zejména interakcemi částic kosmického záření. Společná laboratoř optiky (SLO) navázala na předchozí projekt EUSO-SPB2, který sloužil k ověření konceptu pozorování kosmických spršek z výšky pomocí stratosférického balónu operujícího v nadmořské výšce asi 30 km. Mise byla neúspěšná z důvodu selhání balónu. Kolaborace JEM-EUSO se rozhodla experiment opakovat a po technické stránce ještě rozvinout. SLO se již v roce 2023 do nového experimentu zapojila a dodává mu zrcadla pro optický systém k detekci fluorescenčního a Čerenkovova záření. Nový experiment nese označení PBR (POEMMA Balloon with Radio). POEMMA představuje budoucí projekt, který má provádět obdobné měření z oběžné dráhy Země, a pro který slouží balónové experimenty jako testovací platformy. Do projektu je zapojena NASA

CERN-ATLAS

SLO se dlouhodobě podílí na výzkumu na urychlovači LHC několika různými cestami, a to:

• Konstrukcí hardwarových zařízení, jako je např. detektor času průletu ToF (Time-of-Flight) pro projekt AFP (Atlas Forward Physics). Jde o optoeletronický detektor, který slouží k výběru událostí při srážkách protonů v urychlovači LHC v režimu vysoké luminozity [Opt. Express 31 (2023) 3998]. Detektor AFP/Time-of-Flight, který byl téměř výhradně navržen, zkonstruován, instalován a provozován pracovníky SLO, poskytuje nejlepší časové rozlišení (21 ps), jakého bylo v podmínkách panujících v blízkosti vysokoenergetických částicových svazků kdy dosaženo. K. Černý byl hlavním autorem analýzy dat a textu článku kolaborace ATLAS s názvem „Performance of the ATLAS Forward Proton Time-of-Flight Detector in Run 2“ [J. Instrum. 19 (2024), P05054].
• Dodávkou optických a elektronických komponent pro různé subprojekty v CERN.
• Skupina částicové fyziky ve SLO se podílí na výzkumu nejtěžšího kvarku top. V poslední době významně přispěla např. k analýze měření diferenciálních účinných průřezů párů top kvarků ve srážkách proton-olovo při energii LHC 8.16 TeV na datech z roku 2016 [J. High Energ. Phys. 11 (2024) 101]. Zajímavé jsou také čerstvé výsledky pozorování kvantového provázání v systému párů top kvarků [Nature 633 (2024) 542].
• V počáteční fázi se nalézají rovněž kolaborace Hyper-Kamiokande (HyperK) a Water Cherenkov Test Experiment (WCTE), na nichž se SLO podílí zejména vývojem a testování detekčních komponent.
  • Hyper-Kamiokande je mezinárodní kolaborace nové generace neutrinových čerenkovských detektorů ke studiu subatomárních částic a extrémního vesmíru, výzkumu neutrin a možného rozpadu protonu. Půjde o víceúčelový detektor neutrin, zejména pocházejících z urychlovače ve 300 km vzdálené laboratoře J-PARC ve městě Tokai (Japonsko), ale dále bude experiment hledat rozpad protonu, bude připraven měřit astrofyzikální neutrina včetně těch ze supernov, a za hlavní cíl si klade vyřešit otázku hmotového uspořádání a narušení CP symetrie v neutrinovém sektoru. SLO/UP je členem kolaborace od roku 2022.
  • Mezi „CERN recognized“ experimenty je zařazen experiment Water Cherenkov Test Experiment, který je s HyperK silně propojený a měl by plnit roli technologické zkoušky pro HyperK. V létě 2024 proběhla stavba experimentu WCTE, na které se podíleli také 2 pracovníci SLO. Experiment si klade za cíl proměřit účinné průřezy procesů, které jsou klíčové pro pochopení procesů v interakcích neutrin v experimentu Hyper-K, a které jsou známy pouze ze simulací a mají velké nejistoty. Cílem je tak snížit systematickou neurčitost budoucích neutrinových experimentů.

Ostatní mezinárodní spolupráce

Kromě částicové a astročásticové fyziky je SLO zapojeno do řady bi- a multilaterálních spoluprací v oblasti kvantové optiky. Na výzkumu kvantových korelací a kvantové provázanosti fotonů dlouhodobě spolupracuje s pracovišti Univerzity Adama Mickiewicze v Poznani (prof. Adam Miranowicz, doc. Karol Bartkiewicz), Univerzity ve Wroclawi (dr. Artur Barasiński) a University Zielona Góra (prof. Wieslaw Leoński). V oblasti kvantové a nelineární optiky spolupracuje s University of Insubria (Como, Itálie, prof. Maria Bondani, prof. Alessia Allevi).

Mezinárodní projekty

Mezi nejvýznamnější mezinárodní projekty v oblasti kvantové optiky patří evropský projekt Czech National Quantum Communication Infrastructure (za UP/SLO je řešitelem prof. Jan Soubusta) a projekt „Exceptional-points-induced dynamical phenomena and memory effects in open quantum many-body systems“ od US agentury Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), jehož řešitelem je Ievgen Arkhipov ze SLO.