Okres realizacji projektu: od grudnia 2025 do marca 2026
Projekt CCRD (Cosmic Camera Ray Detector), po pierwszej prezentacji podczas konferencji IEEE NPSS* w Japonii, został przedstawiony wraz z wynikami podczas konferencji Muographers 2026 w Budapeszcie przez Kate Katrankovą, kierowniczkę ds. doświadczenia Klienta. Pokazaliśmy, że zwykłe laptopy mogą wspierać badania z zakresu fizyki cząstek elementarnych.
Projekt został zrealizowany we współpracy z Uniwersytetem Tokijskim, Muographix, VMI, Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN (CAMK) w Warszawie oraz siecią naukową CREDO działającą przy Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.
* IEEE NPSS (Nuclear & Plasma Sciences Society) to stowarzyszenie techniczne działające w ramach IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), koncentrujące się na aparaturze do detekcji promieniowania oraz technologiach akceleratorowych.
Niewidzialne cząstki pochodzące z kosmosu nieustannie przenikają otaczający nas świat. Do tej pory ich wykrywanie wymagało specjalistycznej aparatury laboratoryjnej. Technologia Muotech pozwala prowadzić detekcję cząstek poza laboratorium, czyniąc ją dostępną dla szerszego grona użytkowników.
Większość współczesnych komputerów jest wyposażona w kamerę internetową. muoCAM przekształca tę zwykłą kamerę w detektor cząstek, rozróżniając rzadkie ślady pozostawiane przez cząstki kosmiczne od typowego szumu elektronicznego matrycy. Ponieważ większość wbudowanych kamer internetowych korzysta z matrycy CMOS, muoCAM wykorzystuje ten standardowy element do rejestrowania cząstek wysokoenergetycznych przechodzących przez sensor.
Aby to osiągnąć, Muotech opracował muoCAM – lekką, wieloplatformową aplikację desktopową stworzoną z wykorzystaniem bibliotek PyQt6 i OpenCV. Program nieprzerwanie analizuje obraz z kamery internetowej, stosując dwuetapowy proces przetwarzania:
Kalibracja szumu
Po uruchomieniu aplikacja rejestruje 50 ciemnych klatek, tworząc aktualną medianową mapę szumu. Każda kolejna klatka jest automatycznie porównywana z tą mapą, co pozwala skutecznie usunąć stały szum matrycy.
Klasyfikacja śladów
Gdy kosmiczny mion przechodzi przez matrycę CMOS kamery, pozostawia charakterystyczny ślad jasnych pikseli – nawet wtedy, gdy obiektyw jest całkowicie zasłonięty. muoCAM analizuje kształt tych sygnałów, wykorzystując odporną metodę oceny opartą na analizie liniowości.
Algorytm został dokładnie przetestowany z wykorzystaniem syntetycznych zbiorów danych obejmujących szerokie spektrum scenariuszy. Niezawodnie identyfikuje długie, proste ślady charakterystyczne dla kosmicznych mionów, jednocześnie odrzucając artefakty, takie jak gorące piksele, szum elektroniczny czy rozproszone zdarzenia promieniotwórcze.
Funkcje interfejsu:
Co dzieje się, gdy uruchomimy muoCAM na zwykłym laptopie? Przy optymalnych ustawieniach (z całkowicie zasłoniętym obiektywem kamery, aby wyeliminować światło z otoczenia) system wykrywa atmosferyczne miony ze średnią częstością około 7 zdarzeń na godzinę.
Oznacza to, że mniej więcej co osiem minut niewidzialna cząstka pochodząca z kosmosu przechodzi przez matrycę kamery zwykłego laptopa i zostaje zarejestrowana na ekranie w czasie rzeczywistym.
Dlaczego detektory mionów w laptopach mają znaczenie?
Projekt ten wykracza daleko poza samo pokazanie, że codzienne urządzenia mogą wykrywać cząstki kosmiczne. Choć głównym obszarem działalności Muotech pozostaje obrazowanie mionowe, technologie opracowane w ramach muoCAM mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie również w systemach pozycjonowania i nawigacji opartych na mionach.
W ramach tej wizji Muotech współpracuje z prof. Hiroyukim K. M. Tanaką oraz jego zespołem z Uniwersytetu Tokijskiego. Prof. Tanaka, pionier muografii, opracował Muon Positioning System (muPS) oraz jego bezprzewodowego następcę MuWNS – rozwiązanie wyróżnione przez magazyn TIME jako jeden z Best Inventions of 2023.
Wykorzystując specjalistyczne detektory scyntylacyjne, prof. Tanaka i jego współpracownicy zademonstrowali możliwość pozycjonowania pod ziemią poprzez synchronizację detekcji mionów z systemem GNSS, osiągając dokładność synchronizacji czasu rzędu kilkuset nanosekund względem UTC. Muotech bada obecnie, w jaki sposób te same podstawowe koncepcje mogłyby zostać w przyszłości przeniesione poza wyspecjalizowane detektory naukowe.
Pozycjonowanie oparte na mionach polega na porównywaniu czasów dotarcia tych samych kosmicznych mionów do wielu detektorów. Dzięki precyzyjnemu pomiarowi różnic czasowych możliwe jest oszacowanie odległości i wyznaczenie położenia odbiornika – nawet w środowiskach, w których system GPS nie działa.
Obecnie rozwiązania tego typu wymagają specjalistycznej aparatury naukowej. Choć głównym kierunkiem rozwoju Muotech pozostaje obrazowanie i skanowanie mionowe, te same fundamenty technologiczne mogą w przyszłości umożliwić stworzenie systemów pozycjonowania niezależnych od GPS.
