J1-60014 Atmosferski Ramanski lidar za severni observatorij Polje Teleskopov Čerenkova in njegova uporaba pri natančnih meritvah lastnosti visokoenergijskih kozmičnih fotonov

Visoko energijski kozmični fotoni nosijo edinstvene informacije o energijsko najintenzivnejših pojavih v vesolju. Eksperimentalni pristop, ki lahko pokrije najširše področje energij, hkrati pa je tudi najbolj občutljiv, temelji na zaznavanju bliskov Čerenkove svetlobe, ki nastajajo pri interakcijah VHE fotonov z atomskimi jedri atmosferskih plinov. Bliske, ki jih povzroče plazovi nabitih sekundarnih delcev, opazujemo s poljem Čerenkovih teleskopov oziroma IACT in iz pridobljenih slik rekonstruiramo lastnosti primarnih VHE fotonov, s katerimi opazujemo nebo v popolnoma novem delu elektromagnetnega spektra. Leta 2023 se je pričela izgradnja novega IACT, observatorija Cherenkov Telescope Array (CTAO), ki bo imel vsaj za en red velikosti boljšo občutljivost in večji energijski obseg od dosedanjih instrumentov za detekcijo VHE fotonov. Ustanovni član CTAO ERIC, ki je v ustanavljanju, bo tudi Slovenija. CTA bo predvidoma omogočil odkritje več kot 1000 novih izvorov VHE fotonov po celotnem nebu.

Aktivni del observatorija CTAO je atmosfera, zato je za zahtevano natančnost meritev lastnosti VHE fotonov ključnega pomena podrobno in kontinuirano poznavanje atmosferskih lastnosti, še posebej njene optične globine v posameznih smereh, od koder prihaja Čerenkova svetloba. V dosedanjih raziskavah smo pokazali, da to zahtevno nalogo, ki vključuje meritve lastnosti atmosfere v raznih smereh, omogoča Ramanski lidar. Laserski pulzi, ki jih lidar oddaja, se sipljejo na molekulah atmosferskih plinov in na aerosolih, detekcija povratno sipane svetlobe pa omogoča rekonstrukcijo profilov atmosferskih lastnosti vzdolž izsevane smeri. Za uspešno delovanje observatorija CTAO mora imeti Ramanski lidar doseg kar 30 km, meritev pa mora opraviti v čim krajšem času, da ne moti delovanja Čerenkovih teleskopov in drugih observatorijev. Hitre in natančne lidarske meritve atmosferskih lastnosti so edini način za zmanjšanje sistematske napake pri rekonstrukciji lastnosti VHE fotonov in povečanje deleža obratovalnega časa observatorija v primerjavi s trenutno obstoječimi IACT, zato je napreden Ramanski lidar za CTAO ključna komponenta.

Levo: Odprt kontejner našega prototipa »CTAO-N Raman Lidar Pathfinder« na lokaciji bodočega observatorija CTAO-North na La Palmi. V ozadju je viden teleskop za zaznavanje bliskov Čerenkove svetlobe v atmosferi LST-1. Desno: CTAO-N Raman Lidar Pathfinder v stanju pripravljenosti.

Implementacija Ramanskega lidarja in njegova namestitev v okviru severnega observatorija CTAO je primarni cilj predlaganega projekta. S tem bomo neposredno prispevali k izgradnji observatorija. Lidar bomo razvili na podlagi našega prototipa »CTAO-N Raman Lidar Pathfinder« v okviru mednarodne skupine raziskovalcev z Institut de Física d’Altes Energies, in Universitat Autònoma de Barcelona, Španija, Univerze v Novi Gorici, INFN - Padova in Università degli studi di Padova, Italija in Univerze na Rijeki, Hrvaška. Naša naprava bo predstavljala prispevek Španije (80%) in Slovenije (20%) v naravi k izgradnji observatorija.

Člani slovenske in španske raziskovalne skupine med testiranjem novega laserja za CTAO-N Raman Lidar Pathfinder.

Projektni cilj je usklajen z ključnimi aktivnostmi za izgradnjo in čimprejšnji začetek obratovanja CTAO in bo predstavljal bistven prispevek Slovenije k izgradnji observatorija.