Eksperyment Wielkopękowy KASCADE-Grande

Eksperyment znajduje się na terenie Centrum Badawczego w Karlsruhe (KIT Campus North - 49,1^o N i 8,4^o W) na wysokości 110 m n.p.m., co odpowiada średniej głębokości w atmosferze 1022 g/cm². Rejestruje on jednocześnie wszystkie składowe wielkich pęków: elektromagnetyczną, mionową i hadronową.
Będąc rozszerzeniem poprzedniego eksperymentu KASCADE, rejestrującego wielkie pęki od 1996 roku, KASCADE-Grande powstał wykorzystując 37 stacji detektorów scyntylacyjnych składowej elektromagnetycznej byłego eksperymentu EAS-TOP, działającego w latach 1987 - 2000 na Campo Imperatore, w Laboratorium Gran Sasso we Włoszech.

Jednym z głównych wyników uzyskanych przez te dwa eksperymenty jest wykazanie, że skład masowy pierwotnego promieniowania kosmicznego staje się coraz cięższy powyżej tzw. "kolana", czyli załamania w widmie energii. Samo zaś załamanie jest skutkiem załamań występujących w tym rejonie energii (~ 3-4 x 10¹⁵ eV) w widmach lekkich cząstek promieniowania kosmicznego. Istniejące modele przyspieszania cząstek w przestrzeni kosmicznej przewidują takie właśnie zmiany składu w kierunku cięższych składników. Odkrycie załamania w widmie ciężkich elementów, reprezentowanych przez żelazo, byłoby przekonywującą weryfikacją tych teorii. W oparciu o obserwowaną zależność załamania w widmach różnych lżejszych pierwiastków między 10¹⁴ eV i 10¹⁶ eV, "kolana" w widmie żelaza należy się spodziewać około E₀ = 10¹⁷ eV.

Eksperyment został zbudowany przez międzynarodowy zespół naukowy, w którym od samego początku, tj. od 1989 roku, uczestniczyli pracownicy łódzkiego ośrodka badań promieniowania kosmicznego, z Instytutu Problemów Jądrowych i Uniwersytetu Łódzkiego, pod kierunkiem prof. Jerzego Wdowczyka. Jednostką wiodącą w polskiej grupie był IPJ. Początkowa Współpraca KASCADE obejmowała naukowców z Niemiec, Polski i Rumunii.
Współpraca KASCADE-Grande obejmuje obecnie pracowników z 10 instytutów w 8 krajach.
Od 1996 r. kierownictwo polskiej grupy we Współpracy przejął prof. Janusz Zabierowski, który od 3 lat jest ponadto przewodniczącym Komitetu Sterującego Współpracy KASCADE-Grande. Obecnie, od kilku lat, uczestnikami Współpracy są wyłącznie pracownicy IPJ (aktualnie 2 osoby). Ogółem w ciągu wszystkich lat działania Współpracy uczestniczyło w niej 10 osób z IPJ i UŁ.
Polska grupa wniosła znaczący wkład w budowę eksperymentu. Między innymi w IPJ w Łodzi zaprojektowano i wykonano kompletną elektronikę głównego triggera KASCADE (ponad 100 bloków VME zawierających programowalne układy elektroniczne na płytkach czterowarstwowych) [1].

Drugim dużym projektem aparaturowym zrealizowanym w Łodzi było zaprojektowanie oraz wykonanie dla Wielkiego Detektora Śladowego Mionów w KASCADE prototypów układów odczytu analogowych sygnałów z komór strumieniowych i przekształcania ich na postać cyfrową. W Łodzi wykonane zostało także oprogramowanie sterujące automatami do montażu płyt drukowanych i pod naszym nadzorem w instytucie w Karlsruhe wyprodukowano 758 płyt elektroniki do obsługi prawie 25 000 kanałów detektora [2,3].

Szczegółowy opis eksperymentu oraz publikacje, które ukazały się do tej pory w wyniku analizy zebranych przezeń danych można znaleźć na anglojęzycznej stronie Współpracy.

30 marca 2009 r. eksperyment KASCADE-Grande oficjalnie zakończył działanie. Jednakże główne jego składniki nadal funkcjonują jako aparatura do testowania pewnych pomysłów rozwiązań badawczych w zakresie wielkich pęków. Między innymi stanowią one niezbędny składnik eksperymentu LOPES - w którym IPJ także uczestniczy - badającego promieniowanie radiowe generowane przez pęki oraz służą kilku jeszcze pomniejszym projektom (HISPARC, TAUWER, Lightning Mapping Array LMA) wykorzystując zalety dobrze wykalibrowanego eksperymentu wielkopękowego.

[1] J. Zabierowski, H.O. Klages and H, Schiller, The trigger unit for the detector array of the KASCADE experiment, Nucl. Instrum. Meth. A 354:496-500,1995;

[2] J. Zabierowski and P. Doll, Front-end readout boards for streamer tube muon tracking detector in the KASCADE EAS Experiment, Nucl. Instrum. Meth. A 484:528-532,2002;

[3] P. Doll,....., J. Zabierowski et al., Muon tracking detector for the air shower experiment KASCADE, Nucl. Instrum. Meth. A 488:517-535,2002.