Get best of the week

امسكني إذا استطعت: موجات الراديو ، سلسلة من الجسيمات والجليد لالتقاط النيوترينوات



"هل ترى غوفر؟" -لا. "وأنا لا أرى ، لكنه هو." - مع هذا الاقتباس ، يمكنك وصف الوضع مع النيوترينو بوضوح. لسنوات عديدة ، كان العلماء من جميع أنحاء العالم يحاولون فهم طبيعة هذه الجسيمات دون الذرية الغامضة ، وشرح سلوكهم ووصف خصائصهم. ومع ذلك ، هذا أبعد ما يكون عن المهمة الأسهل ، لأنه من أجل تعلم شيء ما ، يجب عليك أولاً "الإمساك به". اقترح علماء من جامعة أوهايو (الولايات المتحدة الأمريكية) طريقتهم الخاصة في التقاط ، ونتيجة لذلك ، دراسة النيوترينو ، وهو أحد الأدوار الرئيسية التي يلعبها الجليد في القطب الجنوبي. ما هي الظواهر الفيزيائية التي اشتملت على التقاط النيوترينوات ، ولماذا ساعد الجليد في هذه العملية ، وما الجديد الذي يمكن اكتشافه حول واحدة من أكثر الجسيمات الغامضة؟ الإجابات على هذه الأسئلة تنتظرنا في تقرير مجموعة البحث. اذهب.

أساس الدراسة


النيوترينوات جزيئات محايدة (ليس لديها شحنة كهربائية) مع دوران نصف عدد صحيح. هذه الجسيمات تعبر حرفيا كل شيء يقف في طريقها. هناك كل من النيوترينوات منخفضة الطاقة التي تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة ، والنيوترينوات عالية الطاقة ، والتي يمكن إصلاح تفاعلها مع المادة.

في هذه الدراسة ، ركز العلماء على النيوترينوات عالية الطاقة ( 16 10 16 eV). تكمن إمكانات هذه الجسيمات في الاحتمال المحتمل لاستخدامها لدراسة الأشعة الكونية * ، والتي يتم تسجيلها حتى 20 10 20 eV.
الأشعة الكونية * - الجسيمات الأولية ونوى الذرات تتحرك بطاقات عالية في الفضاء الخارجي.
على عكس الأشعة الكونية المتناثرة على خلفية إشعاع الميكروويف الكوني ، كما أنها تنحرف في المجالات المغناطيسية ، يمكن أن تشير النيوترينوهات المكتشفة مباشرة إلى مصادرها.

عندما تتفاعل النيوترينوات عالية الطاقة في مادة ما ، فإنها تنتج سلسلة نسبية من الجسيمات ، بالإضافة إلى سلسلة من الإلكترونات والأنوية غير النسبية الناتجة عن فقدان طاقة الجسيمات النسبية * .
الجسيمات النسبية * - جسيم يتحرك بسرعة مماثلة لسرعة الضوء.
الملف الشخصي لهذا الشلال عبارة عن بيضاوي بطول 10 أمتار ونصف قطر يبلغ حوالي 0.1 م.تتحول كل طاقة التفاعل الأساسي تقريبًا إلى تأين الوسط. تنبعث

إلكترونات شلال منفصلة وبوزيترونات * إشعاع ضوئي Cherenkov غير مترابط * ، والذي يمكن اكتشافه باستخدام كاشفات TeV - PeV (على سبيل المثال ، مرصد IceCube neutrino).
بوزيترون * هو جسيم مضاد للإلكترون.

الجسيم المضاد * هو ضعف جسيم معين بنفس الكتلة والدوران ، ولكن بخصائص تفاعل معاكس (شحنة كهربائية ، شحنة ألوان ، إلخ).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
المشروع الحالي للمرصد المحدث (IceCube-Gen2) له عيوبه - المكون البصري ليس قويًا بما يكفي للكشف عن النيوترينوات عالية الطاقة بسبب انخفاض حاد في طيف النيوترينو.

لذلك ، من الضروري البحث عن طرق أكثر ملاءمة لالتقاط النيوترينوات عالية الطاقة. تعتمد بعض الطرق على إشعاع Cherenkov المترابط للترددات الراديوية من عدم التماثل الكلي للشحنة في الشلال. يدرس البعض الآخر اللبتون الذي يمكن إنتاجه عن طريق تفاعل النيوترينوات.

هناك أيضًا خيار الكشف عن السلاسل التعاقبية بسبب انعكاسات الرادار من درب التأين المتبقي في مسار الشلال. تعد هذه الطريقة بالدقة العالية ، مما منحه اهتمامًا خاصًا من فريق البحث.

في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، قام العلماء بتطبيق الطريقة المذكورة أعلاه لرصد صدى الرادار بنجاح من سلسلة من الجسيمات.

التحضير للتجربة




الصورة رقم 1: الإعداد التجريبي.

تم إعداد الإعداد التجريبي وتثبيته في مختبر التسريع الوطني SLAC.

تم استخدام البولي إيثيلين عالي الكثافة كهدف للتركيب حيث تم توجيه الحزمة الإلكترونية. تم إرسال إشارة مستمرة إلى الهدف في نطاق التردد 1 ... 2.1 جيجاهرتز باستخدام مولد إشارة واحدة ومضخم قدرة (50 وات) وهوائي إرسال (TX). كما تم استهداف هوائيات الاستقبال (RX) لتحقيق هذا الهدف لقياس انعكاس الرادار.

تم استخدام نوعين من الهوائيات في التجارب: هوائي Vivaldi واسع النطاق (0.6 - 6 جيجاهرتز) مع معامل إرسال قياس +12 ديسيبل (ديسيبل متناحي) عند تردد 2 جيجاهرتز. هوائي ثنائي القطب لوغاري دوري (LPDA) 0.9-4 جيجاهرتز ، تم إعداده خصيصًا لهذه الدراسة.

تم استخدام LPDA بالاقتران مع عاكس مكافئي مع كسب مقاس قدره +18 ديسيبل عند تردد 2 جيجا هرتز.

حول مخرج الشعاع كان هناك تيار حلقي متكامل (ICT) ، والذي يسمح بقياس دقيق للشحنة في كل مجموعة.

تم تقسيم جمع البيانات إلى روتين يتكون من 100-500 الأحداث. بين العمليات الفرعية ، اختلفت بعض المعلمات (تردد TX ، وسعة TX ، وموضع TX ، وموضع RX). تسمى التجارب التي تم فيها أخذ البيانات للتحليل عمليات تشغيل الإشارة. تم حجز العمليات الفرعية الأخرى لجمع بيانات الخلفية. كانت مدة تجربة واحدة 8 أيام.

في حالة استخدام جهاز إرسال وجهاز استقبال في هذه التجربة ، يكون المحتوى الطيفي للإشارة المنعكسة دالة τ وهندسة التتالي. بالنسبة إلى سلسلة متتالية ، كما هو الحال في التجربة ، فإن أي عمر يتجاوز 1 ns سيؤدي إلى انعكاس راداري كبير عند التردد المرسل. تم الإرسال بقدرة ذروة 50 واط دون تضخيم المستقبل. مع هذا الإعداد ، كان من المتوقع وجود إشارة رادار بمستوى عدة mV ومدة عدة نانو ثانية عند تردد المرسل.

نتائج التجربة


بعد التصفية ، تمت معالجة مجموعة البيانات بشكل أكبر باستخدام الطريقة التي تم تطويرها في تحليل التجربة الأولى. من أجل التحقيق في كل من المحتوى الزمني والطيفي للإشارة ، تم إنشاء مخطط طيفي زمني للتردد لكل حدث تمت تصفيته في سلسلة من الإشارات ، وتم حساب متوسط ​​هذه الأطياف.


الصورة رقم 2 تظهر

الصورة رقم 2 نتيجة هذه العملية. هنا يمكنك أن ترى بوضوح الزيادة في البيانات الحقيقية ، وليس البيانات الصفرية ، على تردد إرسال 2.1 جيجاهرتز مع مدة عدة نانو ثانية.

ولوحظ فائض مماثل في العديد من ترددات الإرسال ومواقع الهوائي وفي هوائيات مختلفة ، ولكن لم يلاحظ أي فائض في نفس الوقت وعند نقطة تردد في بيانات صفرية.

تم استقبال الإشارة ذات السعة الأعلى أثناء التجارب مع هوائي مستقطب أفقيًا بمعامل إرسال عالي بزاوية محددة ، حيث كانت الإشارة الناتجة (مع تصفية SVD ، SVD - التحلل الفردي) كبيرة بما يكفي لاستخراجها في المجال الزمني من خلال المحاذاة الدقيقة والمتوسط. تم إجراء المحاذاة بحيث يمكن إزاحة الأحداث بما لا يزيد عن جزء من فترة الإرسال.


الصورة رقم 3

توضح الصورة أعلاه المتوسط ​​الناتج في المجال الزمني. كما يظهر مقارنة بين النتائج التجريبية والنتائج التي تم الحصول عليها أثناء نمذجة FDTD (FDTD - طريقة الاختلافات المحدودة في المجال الزمني) للإشارة نفسها ، وكذلك أثناء محاكاة RadioScatter (برنامج لنمذجة أصداء الرادار من شلالات الجسيمات).

كما تم إجراء عدة فحوصات ، مما جعل من الممكن التحقق من أن للإشارة المرصودة خصائص مقابلة لانتثار الرادار. أحد هذه المعايير الداعمة هو حقيقة أن الإشارة يتم تحجيمها بقدرة خرج المرسل (الصورة رقم 4).


الصورة رقم 4

لاحظ العلماء أنه بما أن الإشارة صغيرة جدًا فيما يتعلق بانفجار الحزمة ، وتعتمد الفرضية الصفرية * على تركيبة خطية من مكونات الخلفية ؛ عدم الخطية للنظام بأكمله مشكلة واضحة.
الفرضية الصفرية * هي الافتراض الافتراضي بعدم وجود صلة بين الحدثين الملحوظين.
تم تنفيذ العديد من العمليات التجريبية للنظام حيث تم تضخيم إشارة مستمرة بنفس التردد والسعة ونقلها من خلال هوائي Vivaldi واحد ، والثاني ، المتصل بمذبذب الذبذبات ، تم تكوينه كمستقبل. تم إرسال نبضة عالية الجهد ذات محتوى طيفي مشابه للانفجار الشعاعي في وقت واحد.

لتحديد القيمة الدقيقة ، تم إنشاء N = 107 مجموعات من 100 حدث صفري باستخدام bootstrap الأولي (طريقة توليد العينات الزائفة في مونت كارلو بناءً على العينة المتاحة). بعد ذلك ، تم تجميع مخطط طيفي متوسط ​​لكل مجموعة وتم إجراء تقدير للمعيار الإحصائي الذي تم طرحه من النطاق الجانبي للقدرة الزائدة في منطقة الإشارة.

بالنسبة للبيانات الفارغة ، كان المعيار الإحصائي TS null = 2.20+6.56 -6.20 ، والبيانات المقاسة TS البيانات = 61.2 +7.40 -6.58 .

وهكذا ، جعلت التجربة من الممكن ملاحظة انعكاس الرادار من سلسلة من الجسيمات في مادة كثيفة (في الجليد). إن الإشارة المسجلة تتوافق بشكل ممتاز مع التوقعات النظرية ، واحتمال أن تكون هذه اهتزازات خلفية فقط صغيرة للغاية.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .

الخاتمة


من الصعب للغاية دراسة النيوترينوات ، لأنها تتصرف مثل الذباب: أنت فقط لوحت بحزمة الصحيفة ، لأنها اختفت بالفعل عن الأنظار. ومع ذلك ، كل شيء ليس ميئوسًا منه ، نظرًا لوجود عدد من التقنيات التي تسمح لنا بدراسة هذه الجسيمات. في هذا العمل ، تم النظر في طريقة جديدة ، بناءً على صدى الرادار من سلسلة من الجسيمات المتولدة عن تفاعل النيوترينوات في مادة كثيفة ، والتي كانت في هذه الحالة جليد.

في السابق ، كانت النيوتريونات مسجلة بالفعل في جليد القارة القطبية الجنوبية ، ولكنها كانت نيوتريونات منخفضة الطاقة. مع النيوترينوات عالية الطاقة ، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا. في هذه الدراسة ، أجرى العلماء تجربة لعب فيها دور الجليد بواسطة هدف بلاستيكي بطول 4 أمتار. صوبوا الهدف على الهدف وقصفوه بإلكترونات معبأة في مجموعة صغيرة تحاكي النيوترينوات. إذا كانت الحسابات صحيحة ، فيجب أن تكون الطاقة الإجمالية لمثل هذه المجموعة مساوية للطاقة الإجمالية لنيوترينو عالي الطاقة. بعد ذلك ، تم إرسال موجات الراديو إلى الهدف ، والتي سجلت سلسلة من الجسيمات.

تعتبر دراسة النيوترينوات ذات أهمية كبيرة ، حيث أنها الجزيئات الوحيدة التي تتحرك على طول مسار مستقيم ثابت. لذلك ، يمكنك تتبع مصدرها ، مما سيتيح لك معرفة المزيد عن العمليات الجارية في الكون أكثر مما نعرفه في الوقت الحالي.

الخطوة التالية في هذه الدراسة المستقبلية هي إجراء تجارب ليس في مختبر بالبلاستيك ، ولكن مباشرة في القارة القطبية الجنوبية مع جليد حقيقي. سيتيح لك ذلك معرفة مدى فعالية طريقة الموجات الراديوية في المجال ، إذا جاز التعبير.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles