Get best of the week

Tangkap saya jika Anda bisa: gelombang radio, riam partikel dan es untuk menangkap neutrino



"-Apakah kamu melihat gopher?" -Tidak. "Dan aku tidak melihat, tapi dia ada." - dengan kutipan ini Anda dapat menggambarkan situasi dengan neutrino dengan jelas. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan dari seluruh dunia telah mencoba memahami sifat partikel subatom yang misterius ini, menjelaskan perilaku mereka dan menggambarkan karakteristik mereka. Namun, ini jauh dari tugas termudah, karena untuk mempelajari sesuatu, Anda harus terlebih dahulu “menangkapnya”. Para ilmuwan dari Universitas Ohio (AS) telah mengusulkan metode penangkapan mereka sendiri dan, sebagai hasilnya, mempelajari neutrino, salah satu peran utama di mana es Antartika bermain. Fenomena fisik apa yang terlibat dalam penangkapan neutrino, mengapa es membantu dalam proses ini, dan apa yang baru dapat ditemukan tentang salah satu partikel paling misterius? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menunggu kita dalam laporan kelompok penelitian. Pergilah.

Dasar studi


Neutrino adalah partikel netral (tidak memiliki muatan listrik) dengan putaran setengah bilangan bulat. Partikel-partikel ini benar-benar melewati segala sesuatu yang menghalangi mereka. Ada kedua neutrino berenergi rendah yang berinteraksi sangat lemah dengan materi, dan neutrino berenergi tinggi, yang interaksinya dengan materi dapat diperbaiki.

Dalam studi ini, para ilmuwan fokus pada neutrino berenergi tinggi (﹥ 10 16 eV). Potensi partikel-partikel ini terletak pada kemungkinan penggunaannya untuk mempelajari sinar kosmik * , yang direkam hingga ～ 10 20 eV.
Sinar kosmik * - partikel elementer dan inti atom yang bergerak dengan energi tinggi di luar angkasa.
Tidak seperti sinar kosmik, yang tersebar dengan latar belakang radiasi gelombang mikro kosmik dan juga membelokkan medan magnet, neutrino yang terdeteksi dapat langsung menunjuk ke sumbernya.

Ketika neutrino berenergi tinggi berinteraksi dalam materi, mereka menghasilkan kaskade relativistik partikel, serta rantai elektron dan inti non-relativistik, yang dihasilkan dari hilangnya energi partikel relativistik * .
Partikel relativistik * - partikel yang bergerak dengan kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya.
Profil kaskade ini adalah ellipsoid dengan panjang 10 m dan jari-jari sekitar 0,1 m. Hampir semua energi interaksi primer digunakan untuk ionisasi medium.

Terpisahkan elektron kaskade dan positron * memancarkan radiasi optik Cherenkov yang tidak koheren * , yang dapat dideteksi menggunakan detektor TeV - PeV (misalnya, observatorium IceCube neutrino).
Positron * adalah antipartikel elektron.

Antipartikel * adalah ganda dari partikel tertentu dengan massa dan putaran yang sama, tetapi dengan karakteristik interaksi yang berlawanan (muatan listrik, muatan warna, dll.).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
Proyek yang ada dari observatorium yang diperbarui (IceCube-Gen2) memiliki kekurangan - komponen optik tidak cukup kuat untuk mendeteksi neutrino berenergi tinggi karena penurunan tajam dalam spektrum neutrino.

Karena itu, perlu dicari metode yang lebih cocok untuk menangkap neutrino berenergi tinggi. Beberapa metode didasarkan pada radiasi Cherenkov frekuensi radio yang koheren dari asimetri total muatan dalam kaskade. Yang lain mempelajari lepton yang dapat diproduksi dengan berinteraksi neutrino.

Ada juga opsi untuk mendeteksi kaskade karena pantulan radar dari jejak ionisasi yang tersisa di jalur kaskade. Metode ini menjanjikan sangat akurat, yang memberinya perhatian khusus dari tim peneliti.

Dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan telah menerapkan metode di atas untuk berhasil mengamati gema radar dari riam partikel.

Mempersiapkan percobaan




Gambar No. 1: pengaturan eksperimental.

Pengaturan eksperimental disiapkan dan dipasang di laboratorium akselerator nasional SLAC.

High-density polyethylene (HDPE) digunakan sebagai target instalasi di mana berkas elektron diarahkan. Sinyal kontinu ditransmisikan ke target dalam rentang frekuensi 1 ... 2.1 GHz menggunakan generator sinyal tunggal, penguat daya (50 W) dan antena pemancar (TX). Antena penerima (RX) juga telah ditujukan untuk tujuan ini untuk mengukur refleksi radar.

Dua jenis antena yang digunakan dalam percobaan: antena ultra-wideband Vivaldi (0,6-6 GHz) dengan koefisien transmisi terukur +12 dBi (desibel isotropik) pada frekuensi 2 GHz; Antena dipole log-periodik (LPDA) 0,9–4 GHz, dibuat khusus untuk penelitian ini.

LPDA digunakan bersama dengan reflektor parabola dengan gain terukur +18 dBi pada frekuensi 2 GHz.

Di sekitar pintu keluar balok terdapat arus toroid terintegrasi (TIK), yang memungkinkan pengukuran muatan yang akurat di setiap gugus.

Pengumpulan data dibagi menjadi rutinitas yang terdiri dari 100-500 peristiwa. Antara subproses, beberapa parameter (frekuensi TX, TX amplitudo, posisi TX, dan posisi RX) bervariasi. Eksperimen di mana data diambil untuk analisis disebut sinyal berjalan. Subproses lain telah disediakan untuk mengumpulkan data latar belakang. Durasi satu percobaan adalah 8 hari.

Dalam kasus menggunakan pemancar dan penerima dalam percobaan ini, konten spektral dari sinyal yang dipantulkan adalah fungsi τ dan geometri kaskade. Untuk kaskade kompak, seperti dalam kasus percobaan, setiap umur melebihi 1 ns akan mengarah ke refleksi radar yang signifikan pada frekuensi yang ditransmisikan. Transmisi dilakukan pada daya puncak 50 W tanpa amplifikasi penerima. Dengan pengaturan ini, sinyal radar diharapkan dengan tingkat beberapa mV dan durasi beberapa nanodetik pada frekuensi pemancar.

Hasil Eksperimen


Setelah penyaringan, set data diproses lebih lanjut menggunakan metode yang dikembangkan dalam analisis percobaan pertama. Untuk menyelidiki kandungan temporal dan spektral sinyal, spektrogram waktu-frekuensi dihasilkan untuk setiap peristiwa yang disaring dalam serangkaian sinyal, dan spektrogram ini dirata-ratakan.


Gambar No. 2

Gambar No. 2 menunjukkan hasil dari proses ini. Di sini Anda dapat melihat dengan jelas kelebihan data nyata, dan bukan data nol, pada frekuensi pemancar 2,1 GHz dengan durasi beberapa nanodetik.

Kelebihan yang serupa diamati pada banyak frekuensi transmisi, posisi antena dan antena yang berbeda, tetapi tidak ada kelebihan yang diamati pada waktu yang sama dan pada titik frekuensi dalam data nol.

Sinyal dengan amplitudo terbesar diterima selama percobaan dengan antena terpolarisasi horizontal dengan koefisien transmisi tinggi pada sudut specular, di mana sinyal yang dihasilkan (dengan filter SVD, SVD - dekomposisi singular) cukup besar untuk diekstraksi dalam domain waktu dengan pemerataan dan rata-rata yang cermat. Penyelarasan dilakukan agar peristiwa dapat digeser tidak lebih dari sepersekian periode transmisi.


Gambar No. 3

Gambar di atas menunjukkan rata-rata yang dihasilkan dalam domain waktu. Ini juga menunjukkan perbandingan hasil eksperimen dengan yang diperoleh selama pemodelan FDTD (FDTD - metode perbedaan hingga dalam domain waktu) dari sinyal yang sama, serta selama simulasi RadioScatter (perangkat lunak untuk pemodelan gema radar dari kaskade partikel).

Beberapa pemeriksaan juga dilakukan, yang memungkinkan untuk memverifikasi bahwa sinyal yang diamati memiliki sifat yang sesuai dengan hamburan radar. Salah satu kriteria pendukung ini adalah fakta bahwa sinyal diskalakan dengan daya keluaran pemancar (gambar No. 4).


Gambar No. 4

Para ilmuwan mencatat bahwa karena sinyalnya sangat kecil sehubungan dengan ledakan balok, danhipotesis nol * bergantung pada kombinasi linier komponen latar belakang, ketidaklinieran seluruh sistem merupakan masalah yang jelas.
Hipotesis nol * adalah asumsi standar bahwa tidak ada hubungan antara dua peristiwa yang diamati.
Beberapa percobaan berjalan sistem dilakukan di mana sinyal kontinu pada frekuensi dan amplitudo yang sama diperkuat dan dikirim melalui satu antena Vivaldi, dan yang kedua, yang terhubung ke osiloskop, dikonfigurasikan sebagai penerima. Pulsa tegangan tinggi dengan konten spektral yang mirip dengan semburan sinar ditransmisikan secara bersamaan.

Untuk menetapkan nilai yang tepat, N = 107 set 100 kejadian nol dibuat menggunakan bootstrap awal (metode pembuatan sampel pseudo-sampel Monte Carlo berdasarkan sampel yang tersedia). Selanjutnya, spektogram rata-rata disusun untuk setiap set dan estimasi kriteria statistik dikurangi dari sideband kelebihan daya di wilayah sinyal dilakukan.

Untuk data nol, kriteria statistik adalah TS null = 2.206,56 -6,20 , dan untuk data yang diukur TS Data = 61,2 7,40 -6,58 .

Dengan demikian, percobaan memungkinkan untuk mengamati pantulan radar dari riam partikel dalam material padat (dalam es). Sinyal yang direkam sangat sesuai dengan harapan teoritis, dan probabilitas bahwa ini hanyalah getaran latar belakang yang sangat kecil.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog


Neutrino sangat sulit dipelajari, karena mereka berperilaku seperti lalat: hanya Anda yang melambaikan bungkusan koran, karena sudah lenyap dari pandangan. Namun, semuanya tidak begitu sia-sia, karena ada sejumlah teknik yang memungkinkan kita mempelajari partikel-partikel ini. Dalam karya ini, metode baru dipertimbangkan, berdasarkan gema radar dari kaskade partikel yang dihasilkan oleh neutrino yang berinteraksi dalam zat padat, yang dalam hal ini adalah es.

Sebelumnya, neutrino sudah tercatat di es Antartika, tetapi ini adalah neutrino berenergi rendah. Dengan neutrino berenergi tinggi, segalanya menjadi sedikit lebih rumit. Dalam studi ini, para ilmuwan melakukan percobaan di mana peran es dimainkan oleh target plastik sepanjang 4 meter. Mereka mengarahkan target ke target dan membombardirnya dengan elektron yang dikemas dalam sekelompok kecil yang mensimulasikan neutrino. Jika perhitungannya benar, maka energi total dari sekelompok seperti itu harus sama dengan total energi neutrino berenergi tinggi. Kemudian, gelombang radio dikirim ke target, yang merekam riam partikel.

Studi tentang neutrino sangat penting, karena ini adalah satu-satunya partikel yang bergerak di sepanjang jalur lurus yang konstan. Oleh karena itu, Anda dapat melacak sumbernya, yang akan memungkinkan Anda untuk belajar lebih banyak tentang proses yang terjadi di Semesta daripada yang kita ketahui saat ini.

Langkah selanjutnya dalam penelitian prospektif ini adalah melakukan eksperimen bukan di laboratorium dengan plastik, tetapi langsung di Antartika dengan es nyata. Ini akan memungkinkan Anda untuk mengetahui seberapa efektif metode gelombang radio di lapangan.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles