Cosmic Pi: Mit ein wenig Elektronik zum Astrophysiker

Eine Gruppe von Forschern am Cern will mit dem Cosmic-Pi-Projekt ein weltumspannendes Netzwerk an Detektoren mit Hilfe des Raspberry Pi aufbauen, um möglichst umfassende Messungen der kosmischen Strahlung durchführen zu können.

Untersuchungen der kosmischen Strahlung, die aus dem All auf die Erde trifft, laufen seit gut einhundert Jahren. Die Strahlung besteht aus einzelnen Protonen und Atomkernen, die mit sehr hohen Energien, bis zu einigen Hundert Millionen TeV, auf die Erdatmosphäre treffen. Die Protonen im LHC erreichen nur 7 TeV. Ähnlich wie in einem Teilchenbeschleuniger entstehen bei den Kollisionen der kosmischen Strahlung in den oberen Schichten der Erdatmosphäre viele unterschiedliche Teilchen. Darunter auch geladene Pionen, die nach einigen Metern zu Myonen zerfallen.

Auf dem Weg durch die Atmosphäre verlieren die Myonen zwar fast die Hälfte der Energie, können auf der Erdoberfläche aber in einem Bereich von einigen Hundert Metern gemessen werden. Um so mehr Detektoren in der Gegend den Teilchenschauer messen können, um so besser lässt sich auf die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens der kosmischen Strahlung schließen.

Idee ist nicht neu

Bereits in den 90er-Jahren gab es ein ähnliches Projekt (PDF), das aber mit einem viel höheren Bastelaufwand einherging und auf gebrauchten Bauteilen von Teilchenbeschleunigerexperimenten beruhte.

Der Cosmic-Pi-Detektor ist wesentlich einfacher konzipiert. Er soll aus einer Aufsatzplatine für den Raspberry Pi bestehen. Neben der Elektronik zur Erkennung der Strahlung über einen Szintillator, verfügt die Platine über einen Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensor, um Umwelteinflüsse zu verfolgen. Die ebenfalls zur Auswertung der Messergebnisse relevanten Daten zur Position, Höhe und Lage werden über ein GPS-Modul und Beschleunigungs- wie Magnetfeldsensoren ermittelt.

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Die Cosmic-Pi-Platine (unten) im Vergleich mit dem Raspberry Pi und einer Banane (Foto: Cosmic Pi)

Teilchenerkennung erfordert einen Trick

Wenn ein Teilchen mit viel Energie auf den Szintillator trifft, entsteht ein kleiner Lichtblitz. Der wird mit einem Photomultiplier verstärkt und in ein messbares Signal umgesetzt. Die Unterscheidung zur restlichen Hintergrundstrahlung ist dabei recht einfach, weil sich die Myonen wesentlich schlechter abschirmen lassen. Wenn alle anderen Teilchen abgeschirmt sind, nimmt der Szintillator fast nur noch Myonen wahr.

Ein Microcontroller auf der Platine kümmert sich dann um die Sensorauswertung, auf dem Pi erfolgen die Datenaufzeichnung und die erste Analyse. Die aufbereiteten Daten werden dann an das Cern geschickt. Sowohl die Hardware als auch die Software stehen unter eine offenen Lizenz.

Die Forscher wollen die Produktion des Cosmic Pi im Laufe des Jahres per Crowdfunding ermöglichen. Trotz des größeren Produktionsvolumens wird die Platine mit der Messeinrichtung nicht ganz billig. Ziel der Forscher ist es, die Kosten für die gesamte Messstation auf unter 500 US-Dollar zu drücken.