Co twój smartfon może robić w nocy? Podglądać... promieniowanie kosmiczne

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, rozmawialiśmy o projekcie CREDO mniej więcej dwa lata temu. Wtedy startował. Jeśli dziś mówimy o pierwszym świetle, czyli momencie, kiedy obserwatorium zaczyna przynosić już wiarygodne wyniki, to tempo jest rekordowe. Ale też nie jest to zwykły projekt, obejmuje praktycznie całą Ziemię...

Dr hab. Piotr Homola: Ciężka praca przez ostatnie dwa lata przyniosła ten piękny efekt, cieszymy się pierwszym światłem pierwszego eksperymentu na infrastrukturze CREDO, czyli Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory. Po polsku można to nazwać Skrajnie Rozproszonym Obserwatorium Promieniowania Kosmicznego. To ma być, a właściwie już jest infrastruktura, dzięki której możemy i będziemy mogli monitorować w skali planetarnej promieniowanie kosmiczne. Jesteśmy jednak także otwarci na sygnały z wnętrza Ziemi, bo takie możliwości i scenariusze również będzie można w CREDO testować. Jeżeli mówimy o obserwatorium, to w jego ramach będą możliwe rozmaite badania, nawet prowadzone przez osoby, które nie są w danym instytucie, czy nie należą do całej grupy. Jeśli już raz się otworzyliśmy, to oznacza, że tak naprawdę każdy może swój eksperyment zaplanować, przeprowadzić i ogłosić. Eksperyment, który dał nam pierwsze światło, to był pierwszy z takich eksperymentów.

To niezwykłe obserwatorium, bo jego elementy każdy z nas właściwie może nosić w kieszeni, jeśli tylko zechce się w ten projekt włączyć...

Nasz pierwszy eksperyment to Quantum Gravity Previewer, nazwa nośna, ale nie na wyrost, Podglądacz Kwantowej Grawitacji daje nam pierwszą odpowiedź na fundamentalne pytanie naukowe dotyczące struktury czasoprzestrzeni, przy pomocy sieci smartfonów. Ta sieć to w naszym przypadku już ponad 4 tysiące urządzeń może być wykorzystywana do badania fundamentalnych praw przyrody. Oczywiście smartfon musi byś wyposażony w odpowiednią aplikację, prototyp stworzyliśmy ją przed rokiem, a od maja działamy już w takim trybie produkcyjnym i zebraliśmy już około 400 tysięcy śladów cząstek. W sumie urządzenia pracowały dla nas 48 lat. W porównaniu do innych przedsięwzięć badawczych to może nie jest dużo, ale my się z tego bardzo cieszymy. To jest nasz pierwszy krok i myślę po nim szybko będą następne.

Powiedzmy więc, co obserwujemy, w jaki sposób obserwujemy, i co trzeba zrobić, by się w te obserwacje włączyć?

Może zacznę od końca, bo to jest najprostsze. Żeby się włączyć wystarczy zainstalować sobie aplikację CREDO Detector, która jest dostępna w sklepie z aplikacjami dla systemu Android, w wersji późniejszej od 4.0. Najlepiej, najbezpieczniej używać jej w nocy, bo jednak wymaga to trochę energii i podczas ładowania smartfona w nocy można przyczynić się do badań naukowych. Wczoraj ogłosiliśmy pierwsze wyniki, które pokazują po co to robić. Fajnie jest mieć aplikację, która łapie cząstki, te ślady na smartfonie widać, one mają przeróżne kształty, bardzo urozmaicone, to użytkowników bardzo cieszy. Ja jestem wręcz uzależniony od oglądania tych cząstek, moje dzieci też bardzo to lubią. natomiast istotne jest, po co to robić. Pierwsze przedsięwzięcie naukowe to testowanie hipotezy, że do Ziemi mogą docierać zespoły promieni kosmicznych, które są rozmyte w czasie. Wyobraźmy sobie, że średnio oczekujemy w ciągu 5 minut jednego zdarzenia, ale pewnego dnia, na przykład w niedzielę od 16:17 do 16:22 okazało się, że zaobserwowaliśmy 32 zdarzenia. I co my z tym zrobimy? Czy to jest znaczące naukowo, czy nie? Oczywiście, jeśli to jest tylko jeden raz, tylko na jednym smartfonie, to być może ktoś w pobliżu przejeżdżał z promieniująca kiełbasą i to jest to nasze odkrycie. Natomiast jeśli takie coś wydarzyłoby się gdzie indziej, o tej samej porze, albo częściej dla tego samego urządzenia, ale w różnych warunkach, dla różnych urządzeń, a nawet innych detektorów łapiących sygnał promieniowania kosmicznego, no to mamy wskazówkę. I to, co bada Quantum Gravity Previewer, to poszukiwanie takich zbitek w czasie. Porównujemy oczekiwanie z hipotezy zerowej, że rozkład czasów przylotu tych zdarzeń z kosmosu jest płaski, że one są rozłożone w czasie w sposób jednorodny, z tym co faktycznie obserwujemy. Jeśli obserwujemy rozkład jednorodny to mówimy, że nasza obserwacja jest zgodna z hipotezą zerową, a jeśli zaobserwujemy sygnał, który wystaje nam poza oczekiwanie, na 4 sigma, na 5 sigma, to już jest argument za tym, żeby się zająć taką obserwacją głębiej, przetestować w rozmaitych konfiguracjach.

Ta sigma to parametr określający na ile wiarygodny jest ten wynik, pokazujący czy nie jest przypadkowym efektem?

Tak jest, w nauce poziom 5 sigma jest poziomem od którego uznaje się obserwacje za odkrycia naukowe, natomiast 4 sigma to jest tak zwany sygnał podprogowy, który również bierze się pod uwagę i on służy do alertowania. W astrofizyce bardzo ważnym kierunkiem badawczym jest kierunek wielokanałowy, multi messenger, gdzie bierze się pod uwagę sygnał w z wielu kanałów obserwacji Wszechświata. Mamy astronomię klasyczną, astronomię gamma, ostatnio fale grawitacyjne, neutrina. W momencie kiedy któryś z kanałów widzi sygnał, który nie jest jeszcze sygnałem odkrycia, ale jest w jakiś sposób istotny, alertuje pozostałych uczestników badań, że widzi coś interesującego i wtedy ci pozostali mają szansę ustawić swoje urządzenia badawcze w specjalny sposób, aby zobaczyć, czy przypadkiem i u nich nie dzieje się coś interesującego. W tej koncepcji multi messenger koncepcja CREDO jest nowym graczem. To także, od pierwszych liter, Cosmic Ray Ensamble, Zespół Promieni Kosmicznych. Tak jak na naszym Sympozjum urodzinowym podkreślali nasi goście, to jest nowy kanał obserwacji Wszechświata. Naszym eksperymentem Quantum Gravity Previewer my włączamy nasz odbiornik i pokazujemy pierwszy sygnał. Od razu mogę powiedzieć, żeby tu nie budować napięcia, że ten sygnał, który przedstawiliśmy jest zgodny z hipotezą zerową, nie widzimy odkrycia na poziomie 5 sigma, natomiast w pojedynczych urządzeniach są takie zdarzenia. I teraz to, co należy zrobić, tylko nie chcemy tego robić sami, bo w małej grupie naukowców to jest nie do zrobienia, to zaangażować w to większe grono uczestników, nie tylko naukowców. Również nie eksperci są dla nas bardzo ważni po to, by przyjrzeć się tym pojedynczym, izolowanym zdarzeniom, czy przypadkiem tam się nie tworzy jakiś wzór, czy coś się nie wydarzyło w tym lokalu, gdzie to urządzenie jest zlokalizowane i to wcale nie jest ekscytujące fizycznie. To jest powód, dla którego chcemy możliwie szeroko rozgłosić ten moment "zawieszenia wiechy", tak jak na budynku, czy drodze jeszcze nie oddanej do publicznego użytku, ale już przejezdnej. My właśnie tę wiechę wczoraj postawiliśmy i teraz zapraszamy wszystkich zainteresowanych, żeby razem z nami tworzyli tę naukę na żywo.

Te smartfony, które chętni będą mogli udostępnić dla eksperymentu, będą nocą prowadziły takie swoje ukryte, naukowe życie. W jaki sposób i co będą rejestrować? Bo to nie jest tak, że kamera będzie włączona przez całą noc w normalny sposób...

Kamera będzie włączona non-stop, natomiast musi być zakryta, co uspokaja nas w kwestii prywatności. Musi być zakryta, żeby nie docierało do niej zwykłe światło. Gdyby docierało mielibyśmy bardzo duże trudności z interpretacją sygnału, który wygląda jak zwykłe zdjęcie, kilka pikseli w grupie, czy to ułożonych w linię, zakrzywioną, czy prostą, w kropkę, czy w piłkę. To są bardzo ciekawe kształty, dlatego liczymy, że w badania naukowe włączą się również dzieci. Te kształty trzeba będzie klasyfikować. Oczywiście docelowo będą to robić maszyny, ale maszyny trzeba najpierw nauczyć. A do tego potrzebne jest oko ludzkie. Liczymy na to, że dzieci, nawet te, które nie umieją czytać i pisać pomogą klasyfikować przez przyporządkowywanie zaobserwowanych śladów cząstek, do jakichś przedmiotów, na przykład piłki, czy patyka lub drzewka. To jest prosta gra dla dziecka. Dzieci może nie powinny grać na smartfonach, ale czasami nie ma wyjścia, wiec jeśli już musza grać, niech grają dla nauki.

Kamera to nie tylko obraz, to także dźwięk, czy on jest w momencie badań wyłączony przez aplikację?

Aplikacja w ogóle nie korzysta z mikrofonu, to nie jest nam potrzebne.

Porozmawiajmy teraz o tych sygnałach, promieniowanie kosmiczne dociera do atmosfery Ziemi, zaczynają się pewne reakcje i oznaki tych reakcji mogą dotrzeć do naszych smartfonów...

Tak. Zwłaszcza te cząstki promieniowania kosmicznego o skrajnie dużych energiach wywołują zjawiska zwane wielkimi pękami atmosferycznymi. To kaskady cząstek wtórnych, które mogą liczyć nawet miliardy różnego rodzaju cząstek, mionów, elektronów, fotonów gamma. I właśnie te kaskady docierają do Ziemi. Kaskada, inicjowana przez cząstkę o skrajnie wysokiej energii może przypominać nam naleśnik o średnicy nawet kilku, kilkunastu kilometrów. Taki naleśnik porusza się z prędkością świata, dociera do powierzchni Ziemi i może być zarejestrowany na przykład przez sieć detektorów, fragment naleśnika może wpaść też do naszego smartfonu. My to widzimy, na naszych urządzeniach, na naszych klatkach mamy więcej niż jeden ślad. I to się zdarza zbyt często, by mógł to być przypadek. Tutaj też jest pewnego rodzaju dowód, potwierdzenie, że rzeczywiście widzimy sygnał kosmiczny, to znaczy lokalnie skorelowane cząstki.

To, co będzie atrakcyjne w tym eksperymencie, to możliwość podglądania wyników on line.

Tak. To już jest możliwe. Każdy, kto ściągnął aplikacje, rejestruje dane, może zobaczyć swój wkład na żywo, on line. Na stronie credo science w zakładce eksperymenty widzimy wyniki z Quantum Gravity Previewer. Wyniki te są aktualizowane codziennie, w przyszłości będziemy to robić jeszcze częściej, chcemy oczywiście jak najbardziej zbliżyć się do czasu rzeczywistego, żeby użytkownik od razu wiedział, po co jest ta aplikacja i dlaczego to jest takie ważne.

Zbieracie państwo na razie dane z 20 krajów i tu wcale nie Polska jest najliczniej reprezentowana...

Nie wiem, jak statystyki wyglądają dziś, to jest bardzo dynamiczny system, natomiast cieszymy się nawet z tego, że CREDO nie jest polskim programem, to musi być program planetarny i im więcej krajów tym lepiej. Był taki moment, już po premierze aplikacji, że wyprzedzili nas Czesi, mieli 45 proc. udziału w rynku. Natomiast po konferencji CREDO Week w Krakowie znowu wyjdziemy na prowadzenie. Zrobiliśmy konferencję dla nauczycieli, w której uczestniczyło około 60 osób z całej Polski. Przeprowadziliśmy warsztaty, jak uczyć CREDO w szkole. CREDO jest nie tylko projektem naukowym, ale ma też bardzo atrakcyjne i przyjemne możliwości uboczne. Przy czym te uboczne możliwości są też w głównym nurcie, bo jeśli nauczyciele przeprowadzą lekcje, uczniowie ściągną aplikacje, zarejestrują dane, to będziemy mieli większe szanse na przełomowe odkrycia naukowe.