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Atrápame si puedes: ondas de radio, una cascada de partículas y hielo para capturar neutrinos



"-¿Ves al gopher?" -No. "Y no veo, pero él sí". - Con esta cita puede describir con bastante claridad la situación con los neutrinos. Durante muchos años, los científicos de todo el mundo han estado tratando de comprender la naturaleza de estas misteriosas partículas subatómicas, explicar su comportamiento y describir sus características. Sin embargo, esto está lejos de ser la tarea más fácil, porque para aprender algo, primero debe "atraparlo". Los científicos de la Universidad de Ohio (EE. UU.) Han propuesto su propio método de captura y, como resultado, el estudio de los neutrinos, uno de los principales roles en los que juega el hielo antártico. ¿Qué fenómenos físicos estuvieron involucrados en la captura de neutrinos, por qué el hielo ayudó en este proceso y qué novedades se pueden descubrir sobre una de las partículas más misteriosas? Las respuestas a estas preguntas nos esperan en el informe del grupo de investigación. Vamos.

Base de estudio


Los neutrinos son partículas neutras (no tienen carga eléctrica) con un giro de medio entero. Estas partículas literalmente pasan a través de todo lo que se interpone en su camino. Hay tanto neutrinos de baja energía que interactúan muy débilmente con la materia, como neutrinos de alta energía, cuya interacción con la materia puede ser reparada.

En este estudio, los científicos se centraron en los neutrinos de alta energía (﹥ 10 16 eV). El potencial de estas partículas radica en la posible posibilidad de usarlas para estudiar los rayos cósmicos * , que se registran hasta 20 10 20 eV.
Rayos cósmicos * : partículas elementales y núcleos de átomos que se mueven con altas energías en el espacio exterior.
A diferencia de los rayos cósmicos, que se dispersan en el fondo de la radiación cósmica de microondas y también se desvían en los campos magnéticos, los neutrinos detectados pueden apuntar directamente a sus fuentes.

Cuando los neutrinos de alta energía interactúan en una sustancia, producen una cascada relativista de partículas, así como una cadena de electrones y núcleos no relativistas resultantes de la pérdida de energía de las partículas relativistas * .
Partícula relativista * : una partícula que se mueve con una velocidad comparable a la velocidad de la luz.
El perfil de esta cascada es un elipsoide con una longitud de 10 my un radio de aproximadamente 0.1 m. Casi toda la energía de la interacción primaria se destina a la ionización del medio.

Los electrones y positrones * en cascada separados emiten radiación óptica Cherenkov * incoherente , que puede detectarse utilizando detectores TeV - PeV (por ejemplo, el observatorio de neutrinos IceCube).
Positron * es una antipartícula de un electrón.

La antipartícula * es el doble de una determinada partícula con la misma masa y espín, pero con características de interacción opuestas (carga eléctrica, carga de color, etc.).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
El proyecto existente del observatorio actualizado (IceCube-Gen2) tiene sus inconvenientes: el componente óptico no es lo suficientemente potente como para detectar neutrinos de alta energía debido a una fuerte caída en el espectro de neutrinos.

Por lo tanto, es necesario buscar métodos más adecuados para capturar neutrinos de alta energía. Algunos métodos se basan en la radiación de Cherenkov de radiofrecuencia coherente a partir de la asimetría total de la carga en la cascada. Otros estudian leptones que se pueden producir al interactuar con los neutrinos.

También existe la opción de detectar cascadas debido a las reflexiones de radar del rastro de ionización que queda en el camino de la cascada. Este método promete ser extremadamente preciso, lo que le proporcionó una atención especial del equipo de investigación.

En el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos han aplicado el método anterior para observar con éxito el eco del radar de una cascada de partículas.

Preparándose para el experimento




Imagen No. 1: configuración experimental.

La configuración experimental fue preparada e instalada en el laboratorio acelerador nacional SLAC.

Se utilizó polietileno de alta densidad (HDPE) como objetivo de la instalación donde se dirigió el haz de electrones. Se transmitió una señal continua al objetivo en el rango de frecuencia de 1 ... 2.1 GHz utilizando un único generador de señal, un amplificador de potencia (50 W) y una antena transmisora ​​(TX). Las antenas receptoras (RX) también se han dirigido a este objetivo para medir la reflexión del radar.

Se utilizaron dos tipos de antenas en los experimentos: antena de banda ultra ancha de Vivaldi (0.6–6 GHz) con un coeficiente de transmisión medido de +12 dBi (decibel isotrópico) a una frecuencia de 2 GHz; Antena dipolo periódica logarítmica (LPDA) 0.9–4 GHz, hecha específicamente para este estudio.

LPDA se usó junto con un reflector parabólico con una ganancia medida de +18 dBi a una frecuencia de 2 GHz.

Alrededor de la salida del haz había una corriente toroidal integradora (ICT), que permite una medición precisa de la carga en cada grupo.

La recopilación de datos se dividió en rutinas que constan de 100 a 500 eventos. Entre los subprocesos, algunos parámetros (frecuencia TX, amplitud TX, posición TX y posición RX) variaron. Los experimentos en los que se tomaron datos para el análisis se llaman corridas de señales. Se han reservado otros subprocesos para recopilar datos de fondo. La duración de un experimento fue de 8 días.

Si se utilizan un transmisor y un receptor en este experimento, el contenido espectral de la señal reflejada es tanto una función de τ como la geometría de la cascada. Para una cascada compacta, como en el caso del experimento, cualquier vida útil superior a 1 ns conduciría a una reflexión de radar significativa a la frecuencia transmitida. La transmisión se realizó a una potencia máxima de 50 W sin amplificación del receptor. Con esta configuración, se esperaba una señal de radar con un nivel de varios mV y una duración de varios nanosegundos a la frecuencia del transmisor.

Resultados del experimento


Después de filtrar, el conjunto de datos se procesó adicionalmente utilizando el método desarrollado en el análisis del primer experimento. Para investigar el contenido temporal y espectral de la señal, se generó un espectrograma de frecuencia-tiempo para cada evento filtrado en una serie de señales, y se promediaron estos espectrogramas.


Imagen No. 2 La

Imagen No. 2 muestra el resultado de este proceso. Aquí puede ver claramente el exceso en datos reales, y no en datos cero, a una frecuencia del transmisor de 2.1 GHz con una duración de varios nanosegundos.

Se observó un exceso similar en muchas frecuencias de transmisión, posiciones de antena y antenas diferentes, pero no se observó ningún exceso al mismo tiempo y en un punto de frecuencia en datos cero.

La señal con la amplitud más alta se recibió durante los experimentos con una antena polarizada horizontalmente con un alto coeficiente de transmisión en un ángulo especular, donde la señal resultante (con filtrado SVD, SVD - descomposición singular) fue lo suficientemente grande como para ser extraída en el dominio del tiempo mediante una alineación cuidadosa y un promedio. La alineación se realizó para que los eventos no se puedan cambiar en más de una fracción del período de transmisión.


Imagen No. 3

La imagen de arriba muestra el promedio resultante en el dominio del tiempo. También muestra una comparación de los resultados experimentales con los obtenidos durante el modelado FDTD (FDTD - el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo) de la misma señal, así como durante la simulación de RadioScatter (software para modelar ecos de radar a partir de cascadas de partículas).

También se llevaron a cabo varias verificaciones, que permitieron verificar que la señal observada tiene propiedades correspondientes a la dispersión del radar. Uno de estos criterios de apoyo es el hecho de que la señal se escala con la potencia de salida del transmisor (imagen No. 4).


Imagen No. 4

Los científicos señalan que dado que la señal es tan pequeña con respecto a la explosión del rayo, yla hipótesis nula * se basa en una combinación lineal de componentes de fondo; la no linealidad de todo el sistema es un problema obvio.
La hipótesis nula * es la suposición predeterminada de que no hay conexión entre los dos eventos observados.
Se llevaron a cabo varias corridas experimentales del sistema en las que se amplificó y transmitió una señal continua a la misma frecuencia y amplitud a través de una antena Vivaldi, y la segunda, conectada al osciloscopio, se configuró como receptor. Se transmitió simultáneamente un pulso de alto voltaje con un contenido espectral similar a una explosión de rayos.

Para establecer el valor exacto, se crearon N = 107 conjuntos de 100 eventos cero utilizando el bootstrap inicial (método de generación de pseudomuestra de Monte Carlo basado en la muestra disponible). A continuación, se compiló un espectrograma promedio para cada conjunto y se realizó una estimación del criterio estadístico sustraído de la banda lateral del exceso de potencia en la región de señal.

Para los datos nulos, el criterio estadístico fue TS nulo = 2.206,56 -6,20 , y para los datos medidos TS de datos = 61.2 7.40 -6.58 .

Por lo tanto, el experimento permitió observar la reflexión del radar desde una cascada de partículas en un material denso (en hielo). La señal grabada está en excelente acuerdo con las expectativas teóricas, y la probabilidad de que estas sean solo vibraciones de fondo es extremadamente pequeña.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo


Los neutrinos son extremadamente difíciles de estudiar, porque se comportan como moscas: solo tú agitaste el paquete del periódico, ya que ya había desaparecido de la vista. Sin embargo, no todo es tan inútil, ya que hay una serie de técnicas que nos permiten estudiar estas partículas. En este trabajo, se consideró un nuevo método, basado en un eco de radar de una cascada de partículas generadas por neutrinos que interactúan en una sustancia densa, que en este caso era hielo.

Anteriormente, los neutrinos ya estaban registrados en el hielo de la Antártida, pero estos eran neutrinos de baja energía. Con los neutrinos de alta energía, las cosas son un poco más complicadas. En este estudio, los científicos realizaron un experimento en el que el papel del hielo fue jugado por un objetivo de plástico de 4 metros de largo. Apuntaron el objetivo al objetivo y lo bombardearon con electrones empaquetados en un pequeño grupo simulando neutrinos. Si los cálculos fueron correctos, entonces la energía total de ese grupo debería ser igual a la energía total de un neutrino de alta energía. Luego, se enviaron ondas de radio al objetivo, que registró una cascada de partículas.

El estudio de los neutrinos es de gran importancia, ya que estas son las únicas partículas que se mueven a lo largo de un camino recto constante. Por lo tanto, puede rastrear su fuente, lo que le permitirá aprender mucho más sobre los procesos que tienen lugar en el Universo de lo que sabemos en este momento.

El siguiente paso en este estudio prospectivo es realizar experimentos no en un laboratorio con plástico, sino directamente en la Antártida con hielo real. Esto le permitirá descubrir qué tan efectivo es el método de ondas de radio en el campo, por así decirlo.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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