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Fang mich, wenn du kannst: Radiowellen, eine Kaskade von Partikeln und Eis, um Neutrinos einzufangen



"- Siehst du den Gopher?" -Nein. "Und ich verstehe nicht, aber er ist es." - Mit diesem Zitat können Sie die Situation mit Neutrinos ganz klar beschreiben. Seit vielen Jahren versuchen Wissenschaftler aus der ganzen Welt, die Natur dieser mysteriösen subatomaren Teilchen zu verstehen, ihr Verhalten zu erklären und ihre Eigenschaften zu beschreiben. Dies ist jedoch alles andere als die einfachste Aufgabe, denn um etwas zu lernen, müssen Sie es zuerst „fangen“. Wissenschaftler der University of Ohio (USA) haben ihre eigene Methode vorgeschlagen, um Neutrinos einzufangen und zu untersuchen, eine der Hauptrollen, in denen das Eis der Antarktis spielt. Welche physikalischen Phänomene waren an der Aufnahme von Neutrinos beteiligt, warum half Eis bei diesem Prozess und welche neuen Erkenntnisse konnten über eines der mysteriösesten Teilchen gewonnen werden? Die Antworten auf diese Fragen erwarten uns im Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.

Studienbasis


Neutrinos sind neutrale (sie haben keine elektrische Ladung) Partikel mit einem halb ganzzahligen Spin. Diese Teilchen passieren buchstäblich alles, was ihnen im Weg steht. Es gibt sowohl energiearme Neutrinos, die sehr schwach mit Materie interagieren, als auch energiereiche Neutrinos, deren Wechselwirkung mit Materie festgelegt werden kann.

In dieser Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf hochenergetische Neutrinos ( 16 10 16 eV). Das Potenzial dieser Partikel liegt in der möglichen Möglichkeit, mit ihnen kosmische Strahlen * zu untersuchen , die bis zu ～ 10 20 eV aufgezeichnet werden .
Kosmische Strahlung * - Elementarteilchen und Atomkerne, die sich mit hohen Energien im Weltraum bewegen.
Im Gegensatz zu kosmischen Strahlen, die vor dem Hintergrund der kosmischen Mikrowellenstrahlung gestreut werden und sich auch in Magnetfeldern ablenken, können die detektierten Neutrinos direkt auf ihre Quellen zeigen.

Wenn hochenergetische Neutrinos in einer Substanz interagieren, erzeugen sie eine relativistische Kaskade von Partikeln sowie eine Kette nicht-relativistischer Elektronen und Kerne, die aus dem Energieverlust relativistischer Partikel * resultieren .
Relativistisches Teilchen * - ein Teilchen, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist.
Das Profil dieser Kaskade ist ein Ellipsoid mit einer Länge von 10 m und einem Radius von etwa 0,1 m. Fast die gesamte Energie der primären Wechselwirkung fließt in die Ionisierung des Mediums.

Separate Kaskadenelektronen und Positronen * emittieren inkohärente optische Cherenkov-Strahlung * , die mit TeV-PeV-Detektoren (z. B. dem IceCube-Neutrino-Observatorium) nachgewiesen werden kann.
Positron * ist ein Antiteilchen eines Elektrons.

Das Antiteilchen * ist das Doppelte eines bestimmten Teilchens mit der gleichen Masse und dem gleichen Spin, jedoch mit entgegengesetzten Wechselwirkungseigenschaften (elektrische Ladung, Farbladung usw.).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
Das bestehende Projekt des aktualisierten Observatoriums (IceCube-Gen2) hat seine Nachteile: Die optische Komponente ist aufgrund eines starken Abfalls des Neutrino-Spektrums nicht leistungsfähig genug, um hochenergetische Neutrinos zu erkennen.

Daher ist es notwendig, nach geeigneteren Methoden zum Einfangen von hochenergetischen Neutrinos zu suchen. Einige Methoden basieren auf kohärenter hochfrequenter Cherenkov-Strahlung aus der totalen Asymmetrie der Ladung in der Kaskade. Andere untersuchen Leptonen, die durch Wechselwirkung mit Neutrinos hergestellt werden können.

Es besteht auch die Möglichkeit, Kaskaden aufgrund von Radarreflexionen von der Ionisationsspur zu erkennen, die im Pfad der Kaskade verbleibt. Diese Methode verspricht äußerst genau zu sein, was ihm vom Forschungsteam besondere Aufmerksamkeit schenkte.

In der Arbeit, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler die obige Methode angewendet, um das Radarecho aus einer Partikelkaskade erfolgreich zu beobachten.

Vorbereitung für das Experiment




Bild Nr. 1: Versuchsaufbau.

Der Versuchsaufbau wurde vorbereitet und im nationalen SLAC-Beschleunigerlabor installiert.

Polyethylen hoher Dichte (HDPE) wurde als Ziel der Installation verwendet, auf die der Elektronenstrahl gerichtet war. Ein kontinuierliches Signal wurde im Frequenzbereich 1 ... 2,1 GHz unter Verwendung eines einzelnen Signalgenerators, eines Leistungsverstärkers (50 W) und einer Sendeantenne (TX) zum Ziel übertragen. Empfangsantennen (RX) wurden ebenfalls auf dieses Ziel zur Messung der Radarreflexion ausgerichtet.

In den Experimenten wurden zwei Arten von Antennen verwendet: Vivaldi-Ultrabreitbandantenne (0,6–6 GHz) mit einem gemessenen Übertragungskoeffizienten von +12 dBi (isotropes Dezibel) bei einer Frequenz von 2 GHz; Log-periodische Dipolantenne (LPDA) 0,9–4 GHz, speziell für diese Studie hergestellt.

LPDA wurde in Verbindung mit einem Parabolreflektor mit einer gemessenen Verstärkung von +18 dBi bei einer Frequenz von 2 GHz verwendet.

Um den Strahlausgang herum befand sich ein integrierender Toroidstrom (ICT), der eine genaue Messung der Ladung in jedem Bündel ermöglicht.

Die Datenerfassung wurde in Routinen unterteilt, die aus 100 bis 500 Ereignissen bestehen. Zwischen den Unterprozessen variierten einige Parameter (TX-Frequenz, TX-Amplitude, TX-Position und RX-Position). Experimente, bei denen Daten zur Analyse herangezogen wurden, werden als Signalläufe bezeichnet. Andere Unterprozesse wurden für die Erfassung von Hintergrunddaten reserviert. Die Dauer eines Experiments betrug 8 Tage.

Bei Verwendung eines Senders und eines Empfängers in diesem Experiment ist der spektrale Inhalt des reflektierten Signals sowohl eine Funktion von τ als auch der Geometrie der Kaskade. Bei einer kompakten Kaskade, wie im Fall des Experiments, würde jede Lebensdauer von mehr als 1 ns zu einer signifikanten Radarreflexion bei der übertragenen Frequenz führen. Die Übertragung wurde mit einer Spitzenleistung von 50 W ohne Verstärkung des Empfängers durchgeführt. Mit dieser Einstellung wurde ein Radarsignal mit einem Pegel von mehreren mV und einer Dauer von mehreren Nanosekunden bei der Senderfrequenz erwartet.

Versuchsergebnisse


Nach dem Filtern wurde der Datensatz unter Verwendung der in der Analyse des ersten Experiments entwickelten Methode weiterverarbeitet. Um sowohl den zeitlichen als auch den spektralen Inhalt des Signals zu untersuchen, wurde für jedes gefilterte Ereignis in einer Reihe von Signalen ein Frequenz-Zeit-Spektrogramm erzeugt, und diese Spektrogramme wurden gemittelt.


Bild Nr. 2

Bild Nr. 2 zeigt das Ergebnis dieses Prozesses. Hier können Sie den Überschuss an realen Daten und nicht an Nulldaten bei einer Senderfrequenz von 2,1 GHz mit einer Dauer von mehreren Nanosekunden deutlich erkennen.

Ein ähnlicher Überschuss wurde bei vielen Übertragungsfrequenzen, Antennenpositionen und bei verschiedenen Antennen beobachtet, jedoch wurde kein Überschuss zur gleichen Zeit und an einem Frequenzpunkt in Nulldaten beobachtet.

Das Signal mit der größten Amplitude wurde während Experimenten mit einer horizontal polarisierten Antenne mit einem hohen Transmissionskoeffizienten bei einem Spiegelwinkel empfangen, bei denen das resultierende Signal (mit SVD-Filterung, SVD - singuläre Zerlegung) groß genug war, um im Zeitbereich durch sorgfältige Entzerrung und Mittelung extrahiert zu werden. Die Ausrichtung wurde so durchgeführt, dass Ereignisse um nicht mehr als einen Bruchteil der Übertragungsperiode verschoben werden konnten.


Bild Nr. 3

Das Bild oben zeigt den resultierenden Durchschnitt im Zeitbereich. Es zeigt auch einen Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit denen, die während der FDTD-Modellierung (FDTD - die Methode der endlichen Unterschiede im Zeitbereich) desselben Signals sowie während der Simulation von RadioScatter (Software zur Modellierung von Radarechos aus Partikelkaskaden) erhalten wurden.

Es wurden auch mehrere Überprüfungen durchgeführt, die es ermöglichten, zu überprüfen, ob das beobachtete Signal Eigenschaften aufweist, die der Radarstreuung entsprechen. Eines dieser unterstützenden Kriterien ist die Tatsache, dass das Signal mit der Ausgangsleistung des Senders skaliert wird (Bild Nr. 4).


Bild Nr. 4

Wissenschaftler bemerken, dass, da das Signal in Bezug auf den Strahlstoß so klein ist, undDie Nullhypothese * beruht auf einer linearen Kombination von Hintergrundkomponenten, wobei die Nichtlinearität des gesamten Systems ein offensichtliches Problem darstellt.
Die Nullhypothese * ist die Standardannahme, dass zwischen den beiden beobachteten Ereignissen kein Zusammenhang besteht.
Es wurden mehrere Versuchsläufe des Systems durchgeführt, bei denen ein kontinuierliches Signal mit derselben Frequenz und Amplitude verstärkt und über eine Vivaldi-Antenne übertragen wurde und die zweite, mit dem Oszilloskop verbundene, als Empfänger konfiguriert wurde. Gleichzeitig wurde ein Hochspannungsimpuls mit einem spektralen Inhalt ähnlich einem Strahlenstoß übertragen.

Um den genauen Wert zu ermitteln, wurden N = 107 Sätze von 100 Nullereignissen unter Verwendung des anfänglichen Bootstraps (Monte-Carlo-Pseudo-Sample-Generierungsmethode basierend auf dem verfügbaren Sample) erstellt. Als nächstes wurde ein durchschnittliches Spektrogramm für jeden Satz erstellt und eine Schätzung des statistischen Kriteriums durchgeführt, das vom Seitenband der überschüssigen Leistung im Signalbereich subtrahiert wurde.

Für Nulldaten war das statistische Kriterium TS null = 2,20+6,56 -6,20 und für die gemessenen Daten TS- Daten = 61,2 +7,40 -6,58 .

Das Experiment ermöglichte es somit, die Radarreflexion einer Partikelkaskade in einem dichten Material (in Eis) zu beobachten. Das aufgezeichnete Signal stimmt hervorragend mit den theoretischen Erwartungen überein, und die Wahrscheinlichkeit, dass es sich nur um Hintergrundschwingungen handelt, ist äußerst gering.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog


Neutrinos sind extrem schwer zu studieren, weil sie sich wie Fliegen verhalten: Nur Sie haben das Bündel der Zeitung geschwenkt, da es bereits aus dem Blickfeld verschwunden war. Es ist jedoch nicht alles so hoffnungslos, da es eine Reihe von Techniken gibt, mit denen wir diese Partikel untersuchen können. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode betrachtet, die auf einem Radarecho aus einer Partikelkaskade basiert, die von Neutrinos erzeugt wird, die in einer dichten Substanz, in diesem Fall Eis, interagieren.

Zuvor waren Neutrinos bereits im Eis der Antarktis nachgewiesen worden, es handelte sich jedoch um niederenergetische Neutrinos. Mit hochenergetischen Neutrinos sind die Dinge etwas komplizierter. In dieser Studie führten Wissenschaftler ein Experiment durch, bei dem die Rolle des Eises von einem 4 Meter langen Kunststoffziel gespielt wurde. Sie richteten das Ziel auf das Ziel und bombardierten es mit Elektronen, die in einem winzigen Haufen Neutrinos simuliert waren. Wenn die Berechnungen korrekt waren, sollte die Gesamtenergie eines solchen Bündels gleich der Gesamtenergie eines hochenergetischen Neutrinos sein. Dann wurden Radiowellen zum Ziel gesendet, die eine Partikelkaskade aufzeichneten.

Die Untersuchung von Neutrinos ist von großer Bedeutung, da dies die einzigen Teilchen sind, die sich auf einem konstanten geraden Weg bewegen. Daher können Sie ihre Quelle verfolgen, wodurch Sie viel mehr über die im Universum ablaufenden Prozesse erfahren können, als wir derzeit wissen.

Der nächste Schritt in dieser prospektiven Studie besteht darin, Experimente nicht in einem Labor mit Kunststoff, sondern direkt in der Antarktis mit echtem Eis durchzuführen. Auf diese Weise können Sie herausfinden, wie effektiv die Methode der Funkwellen im Feld sozusagen ist.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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