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Attrape-moi si tu peux: des ondes radio, une cascade de particules et de glace pour capturer les neutrinos



"-Voyez-vous le gopher?" -Non. "Et je ne vois pas, mais il l'est." - avec cette citation, vous pouvez décrire très clairement la situation avec les neutrinos. Depuis de nombreuses années, des scientifiques du monde entier tentent de comprendre la nature de ces mystérieuses particules subatomiques, d'expliquer leur comportement et de décrire leurs caractéristiques. Cependant, c'est loin d'être la tâche la plus simple, car pour apprendre quelque chose, il faut d'abord le «rattraper». Des scientifiques de l'Université de l'Ohio (États-Unis) ont proposé leur propre méthode de capture et, par conséquent, d'étude des neutrinos, l'un des principaux rôles joués par la glace antarctique. Quels phénomènes physiques ont été impliqués dans la capture des neutrinos, pourquoi la glace a-t-elle aidé dans ce processus et quelles nouveautés a-t-on pu découvrir sur l'une des particules les plus mystérieuses? Les réponses à ces questions nous attendent dans le rapport du groupe de recherche. Aller.

Base d'étude


Les neutrinos sont des particules neutres (sans charge électrique) avec un spin demi-entier. Ces particules traversent littéralement tout ce qui se trouve sur leur chemin. Il existe à la fois des neutrinos de faible énergie qui interagissent très faiblement avec la matière et des neutrinos de haute énergie, dont l'interaction avec la matière peut être fixée.

Dans cette étude, les scientifiques se sont concentrés sur les neutrinos de haute énergie (﹥ 10 16 eV). Le potentiel de ces particules réside dans la possibilité éventuelle de les utiliser pour étudier les rayons cosmiques * , qui sont enregistrés jusqu'à ～ 10 20 eV.
Rayons cosmiques * - particules élémentaires et noyaux d'atomes se déplaçant avec de hautes énergies dans l'espace.
Contrairement aux rayons cosmiques, qui sont dispersés sur le fond du rayonnement micro-ondes cosmique et également déviés dans les champs magnétiques, les neutrinos détectés peuvent pointer directement vers leurs sources.

Lorsque les neutrinos de haute énergie interagissent dans une substance, ils produisent une cascade relativiste de particules, ainsi qu'une chaîne d'électrons et de noyaux non relativistes résultant de la perte d'énergie des particules relativistes * .
Particule relativiste * - une particule se déplaçant à une vitesse comparable à la vitesse de la lumière.
Le profil de cette cascade est un ellipsoïde d'une longueur de 10 m et d'un rayon d'environ 0,1 m. Presque toute l'énergie de l'interaction primaire va à l'ionisation du milieu.

Des électrons et des positons en cascade séparés * émettent un rayonnement optique Cherenkov incohérent * , qui peut être détecté à l'aide de détecteurs TeV-PeV (par exemple, l'observatoire des neutrinos IceCube).
Le positron * est une antiparticule d'un électron.

L'antiparticule * est le double d'une certaine particule avec la même masse et le même spin, mais avec des caractéristiques d'interaction opposées (charge électrique, charge de couleur, etc.).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
Le projet existant de l'observatoire mis à jour (IceCube-Gen2) a ses inconvénients - le composant optique n'est pas assez puissant pour détecter les neutrinos de haute énergie en raison d'une forte baisse du spectre des neutrinos.

Par conséquent, il est nécessaire de rechercher des méthodes plus appropriées pour capturer les neutrinos de haute énergie. Certaines méthodes sont basées sur le rayonnement Cherenkov radiofréquence cohérent de l'asymétrie totale de la charge dans la cascade. D'autres étudient les leptons qui peuvent être produits par l'interaction des neutrinos.

Il y a également la possibilité de détecter les cascades dues aux réflexions radar de la piste d'ionisation laissée sur le chemin de la cascade. Cette méthode promet d'être extrêmement précise, ce qui lui a valu une attention particulière de la part de l'équipe de recherche.

Dans les travaux que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont appliqué la méthode ci-dessus pour observer avec succès l'écho radar d'une cascade de particules.

Se préparer à l'expérience




Image n ° 1: configuration expérimentale.

Le montage expérimental a été préparé et installé dans le laboratoire national d'accélérateurs SLAC.

Le polyéthylène haute densité (PEHD) a été utilisé comme cible de l'installation où le faisceau d'électrons était dirigé. Un signal continu a été transmis à la cible dans la gamme de fréquences 1 ... 2,1 GHz à l'aide d'un générateur de signal unique, d'un amplificateur de puissance (50 W) et d'une antenne d'émission (TX). Les antennes de réception (RX) ont également visé cet objectif de mesure de la réflexion radar.

Deux types d'antennes ont été utilisées dans les expériences: antenne ultra large bande Vivaldi (0,6–6 GHz) avec un coefficient de transmission mesuré de +12 dBi (décibels isotropes) à une fréquence de 2 GHz; Antenne dipôle log-périodique (LPDA) 0,9–4 GHz, spécialement conçue pour cette étude.

Le LPDA a été utilisé en conjonction avec un réflecteur parabolique avec un gain mesuré de +18 dBi à une fréquence de 2 GHz.

Autour de la sortie du faisceau se trouvait un courant toroïdal intégrateur (ICT), qui permet une mesure précise de la charge dans chaque paquet.

La collecte des données a été divisée en routines comprenant 100 à 500 événements. Entre les sous-processus, certains paramètres (fréquence TX, amplitude TX, position TX et position RX) variaient. Les expériences dans lesquelles des données ont été prises pour analyse sont appelées séries de signaux. D'autres sous-processus ont été réservés à la collecte de données de base. La durée d'une expérience était de 8 jours.

Dans le cas de l'utilisation d'un émetteur et d'un récepteur dans cette expérience, le contenu spectral du signal réfléchi est à la fois fonction de τ et de la géométrie de la cascade. Pour une cascade compacte, comme dans le cas de l'expérience, toute durée de vie supérieure à 1 ns entraînerait une réflexion radar importante à la fréquence transmise. La transmission a été effectuée à une puissance de crête de 50 W sans amplification du récepteur. Avec ce réglage, un signal radar était attendu avec un niveau de plusieurs mV et une durée de plusieurs nanosecondes à la fréquence de l'émetteur.

Résultats de l'expérience


Après filtrage, l'ensemble de données a été traité plus avant en utilisant la méthode développée dans l'analyse de la première expérience. Afin d'étudier à la fois le contenu temporel et spectral du signal, un spectrogramme fréquence-temps a été généré pour chaque événement filtré dans une série de signaux, et ces spectrogrammes ont été moyennés.


Image n ° 2 L'

image n ° 2 montre le résultat de ce processus. Ici, vous pouvez clairement voir l'excédent dans les données réelles, et non dans les données nulles, à une fréquence d'émission de 2,1 GHz avec une durée de plusieurs nanosecondes.

Un excès similaire a été observé à de nombreuses fréquences de transmission, positions d'antenne et à différentes antennes, mais aucun excès n'a été observé en même temps et à un point de fréquence dans des données nulles.

Le signal avec la plus grande amplitude a été reçu lors d'expériences avec une antenne polarisée horizontalement avec un coefficient de transmission élevé à un angle spéculaire, où le signal résultant (avec filtrage SVD, SVD - décomposition singulière) était suffisamment grand pour être extrait dans le domaine temporel par un alignement et une moyenne soigneux. L'alignement a été effectué de manière à ce que les événements puissent être décalés d'au plus une fraction de la période de transmission.


Image n ° 3

L'image ci-dessus montre la moyenne résultante dans le domaine temporel. Il montre également une comparaison des résultats expérimentaux avec ceux obtenus lors de la modélisation FDTD (FDTD - la méthode des différences finies dans le domaine temporel) du même signal, ainsi que lors de la simulation de RadioScatter (logiciel de modélisation des échos radar à partir de cascades de particules).

Plusieurs vérifications ont également été effectuées, qui ont permis de vérifier que le signal observé a des propriétés correspondant à la diffusion radar. L'un de ces critères de soutien est le fait que le signal est mis à l'échelle avec la puissance de sortie de l'émetteur (image n ° 4).


Image n ° 4 Les

scientifiques notent que, comme le signal est si petit par rapport à l'éclatement du faisceau, etl'hypothèse nulle * repose sur une combinaison linéaire de composants d'arrière-plan, la non-linéarité de l'ensemble du système est un problème évident.
L'hypothèse nulle * est l'hypothèse par défaut qu'il n'y a pas de lien entre les deux événements observés.
Plusieurs essais expérimentaux du système ont été effectués dans lesquels un signal continu à la même fréquence et amplitude a été amplifié et transmis via une antenne Vivaldi, et le second, connecté à l'oscilloscope, a été configuré comme un récepteur. Une impulsion haute tension avec un contenu spectral similaire à une rafale de rayons a été transmise simultanément.

Pour établir la valeur exacte, N = 107 ensembles de 100 événements zéro ont été créés en utilisant le bootstrap initial (méthode de génération de pseudo-échantillon Monte Carlo basée sur l'échantillon disponible). Ensuite, un spectrogramme moyen a été compilé pour chaque ensemble et une estimation du critère statistique soustrait de la bande latérale de l'excès de puissance dans la région du signal a été effectuée.

Pour les données nulles, le critère statistique était TS null = 2,20+6,56 -6,20 , et pour les données mesurées TS data = 61,2 +7,40 -6,58 .

Ainsi, l'expérience a permis d'observer la réflexion radar d'une cascade de particules dans un matériau dense (dans la glace). Le signal enregistré est en excellent accord avec les attentes théoriques et la probabilité qu'il ne s'agisse que de vibrations de fond est extrêmement faible.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue


Les neutrinos sont extrêmement difficiles à étudier, car ils se comportent comme des mouches: vous seul avez agité le paquet du journal, car il avait déjà disparu de la vue. Cependant, tout n'est pas si désespéré, car il existe un certain nombre de techniques qui nous permettent d'étudier ces particules. Dans ce travail, une nouvelle méthode a été envisagée, basée sur un écho radar provenant d'une cascade de particules générées par des neutrinos interagissant dans une substance dense, qui dans ce cas était de la glace.

Auparavant, les neutrinos étaient déjà enregistrés dans la glace de l'Antarctique, mais il s'agissait de neutrinos de faible énergie. Avec les neutrinos à haute énergie, les choses sont un peu plus compliquées. Dans cette étude, les scientifiques ont mené une expérience dans laquelle le rôle de la glace était joué par une cible en plastique de 4 mètres de long. Ils ont dirigé la cible vers la cible et l'ont bombardée d'électrons emballés dans un minuscule tas simulant des neutrinos. Si les calculs étaient corrects, alors l'énergie totale d'un tel groupe devrait être égale à l'énergie totale d'un neutrino à haute énergie. Ensuite, des ondes radio ont été envoyées à la cible, qui a enregistré une cascade de particules.

L'étude des neutrinos est d'une grande importance, car ce sont les seules particules qui se déplacent le long d'une trajectoire rectiligne constante. Par conséquent, vous pouvez suivre leur source, ce qui vous permettra d'en savoir beaucoup plus sur les processus en cours dans l'Univers que nous ne le savons actuellement.

La prochaine étape de cette étude prospective est de mener des expériences non pas dans un laboratoire avec du plastique, mais directement en Antarctique avec de la vraie glace. Cela vous permettra de découvrir l'efficacité de la méthode des ondes radio sur le terrain, pour ainsi dire.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

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