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Pegue-me se puder: ondas de rádio, uma cascata de partículas e gelo para capturar neutrinos



"-Você vê o esquilo?" -Não. "E eu não vejo, mas ele é." - com esta citação, você pode descrever claramente a situação com neutrinos. Por muitos anos, cientistas de todo o mundo tentam entender a natureza dessas misteriosas partículas subatômicas, explicam seu comportamento e descrevem suas características. No entanto, isso está longe de ser a tarefa mais fácil, porque, para aprender algo, você deve primeiro "pegá-lo". Cientistas da Universidade de Ohio (EUA) propuseram seu próprio método de captura e, como resultado, estudo de neutrinos, um dos principais papéis nos quais o gelo antártico desempenha. Quais fenômenos físicos estavam envolvidos na captura de neutrinos, por que o gelo ajudou nesse processo e que novas descobertas poderiam ser descobertas sobre uma das partículas mais misteriosas? As respostas a essas perguntas nos aguardam no relatório do grupo de pesquisa. Vai.

Base de estudo


Neutrinos são partículas neutras (elas não têm carga elétrica) com um giro meio inteiro. Essas partículas literalmente passam por tudo que está no seu caminho. Existem neutrinos de baixa energia que interagem muito fracamente com a matéria e neutrinos de alta energia, cuja interação com a matéria pode ser fixa.

Neste estudo, os cientistas se concentraram em neutrinos de alta energia (± 10 16 eV). O potencial dessas partículas reside na possibilidade possível de usá-las para estudar os raios cósmicos * , que são registrados até ± 10 20 eV.
Raios cósmicos * - partículas elementares e núcleos de átomos que se movem com altas energias no espaço sideral.
Ao contrário dos raios cósmicos, que estão espalhados no fundo da radiação cósmica de microondas e também desviam nos campos magnéticos, os neutrinos detectados podem apontar diretamente para suas fontes.

Quando os neutrinos de alta energia interagem na matéria, eles produzem uma cascata relativística de partículas, bem como uma cadeia de elétrons e núcleos não relativísticos, resultantes da perda de energia das partículas relativísticas * .
Partícula relativística * - partícula em movimento com velocidade comparável à velocidade da luz.
O perfil dessa cascata é um elipsóide de 10 m de comprimento e um raio de cerca de 0,1 M. Quase toda a energia da interação primária é direcionada à ionização do meio.

Elétrons e pósitrons separados em cascata * emitem radiação óptica Cherenkov incoerente * , que pode ser detectada usando detectores TeV - PeV (por exemplo, o observatório de neutrinos IceCube).
Positron * é uma antipartícula de um elétron.

A antipartícula * é o dobro de uma determinada partícula com a mesma massa e rotação, mas com características de interação opostas (carga elétrica, carga de cor etc.).
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
O projeto existente do observatório atualizado (IceCube-Gen2) tem suas desvantagens - o componente óptico não é poderoso o suficiente para detectar neutrinos de alta energia devido a uma queda acentuada no espectro de neutrinos.

Portanto, é necessário procurar métodos mais adequados para capturar neutrinos de alta energia. Alguns métodos são baseados na radiação Cherenkov de radiofrequência coerente da assimetria total da carga na cascata. Outros estudam leptões que podem ser produzidos pela interação de neutrinos.

Também existe a opção de detectar cascatas devido a reflexões de radar da trilha de ionização deixada no caminho da cascata. Esse método promete ser extremamente preciso, o que proporcionou uma atenção especial da equipe de pesquisa.

No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas aplicaram o método acima para observar com sucesso o eco do radar de uma cascata de partículas.

Preparando para o experimento




Imagem No. 1: configuração experimental.

A configuração experimental foi preparada e instalada no laboratório nacional de aceleradores do SLAC.

O polietileno de alta densidade (HDPE) foi usado como alvo da instalação para onde o feixe de elétrons era direcionado. Um sinal contínuo foi transmitido ao alvo na faixa de frequências de 1 a 2,1 GHz usando um único gerador de sinal, um amplificador de potência (50 W) e uma antena transmissora (TX). As antenas receptoras (RX) também foram direcionadas a esse objetivo para medir a reflexão do radar.

Dois tipos de antenas foram usados ​​nos experimentos: antena Vivaldi de banda ultralarga (0,6–6 GHz) com um coeficiente de transmissão medido de +12 dBi (decibel isotrópico) a uma frequência de 2 GHz; Antena dipolo periódica (LPDA) de 0,9 a 4 GHz, feita especificamente para este estudo.

O LPDA foi usado em conjunto com um refletor parabólico com um ganho medido de +18 dBi a uma frequência de 2 GHz.

Ao redor da saída do feixe havia uma corrente toróide de integração (TIC), que permite uma medição precisa da carga em cada grupo.

A coleta de dados foi dividida em rotinas que consistem em 100 a 500 eventos. Entre os subprocessos, alguns parâmetros (frequência TX, amplitude TX, posição TX e posição RX) variaram. Experimentos em que os dados foram coletados para análise são chamados de execuções de sinal. Outros subprocessos foram reservados para a coleta de dados em segundo plano. A duração de um experimento foi de 8 dias.

No caso de usar um transmissor e um receptor nesta experiência, o conteúdo espectral do sinal refletido é uma função de τ e a geometria da cascata. Para uma cascata compacta, como no caso do experimento, qualquer vida útil superior a 1 ns levaria a uma reflexão significativa do radar na frequência transmitida. A transmissão foi realizada com uma potência de pico de 50 W sem amplificação do receptor. Com essa configuração, era esperado um sinal de radar com um nível de vários mV e uma duração de vários nanossegundos na frequência do transmissor.

Resultados da Experiência


Após a filtragem, o conjunto de dados foi posteriormente processado usando o método desenvolvido na análise do primeiro experimento. A fim de investigar o conteúdo temporal e espectral do sinal, um espectrograma de frequência e tempo foi gerado para cada evento filtrado em uma série de sinais, e esses espectrogramas foram calculados como média.


Imagem nº 2 A

imagem nº 2 mostra o resultado desse processo. Aqui você pode ver claramente o excesso de dados reais, e não de zero, a uma frequência do transmissor de 2,1 GHz com duração de vários nanossegundos.

Um excesso semelhante foi observado em muitas frequências de transmissão, posições de antena e em antenas diferentes, mas nenhum excesso foi observado ao mesmo tempo e em um ponto de frequência em zero dados.

O sinal com a maior amplitude foi recebido durante experimentos com uma antena polarizada horizontalmente com um alto coeficiente de transmissão em um ângulo especular, onde o sinal resultante (com filtragem SVD, SVD - decomposição singular) era grande o suficiente para ser extraído no domínio do tempo por cuidadosa equalização e média. O alinhamento foi realizado para que os eventos pudessem ser alterados em não mais que uma fração do período de transmissão.


Imagem No. 3

A imagem acima mostra a média resultante no domínio do tempo. Também mostra uma comparação dos resultados experimentais com os obtidos durante a modelagem FDTD (FDTD - o método das diferenças finitas no domínio do tempo) do mesmo sinal, bem como durante a simulação do RadioScatter (software para modelar ecos de radar a partir de cascatas de partículas).

Também foram realizadas várias verificações, o que possibilitou verificar se o sinal observado possui propriedades correspondentes à dispersão do radar. Um desses critérios de suporte é o fato de o sinal ser dimensionado com a potência de saída do transmissor (imagem nº 4).


Imagem nº 4

Os cientistas observam que, como o sinal é tão pequeno em relação à explosão do feixe, ea hipótese nula * se baseia em uma combinação linear de componentes de segundo plano; a não linearidade de todo o sistema é um problema óbvio.
A hipótese nula * é a suposição padrão de que não há conexão entre os dois eventos observados.
Foram realizadas várias execuções experimentais do sistema, nas quais um sinal contínuo na mesma frequência e amplitude foi amplificado e transmitido através de uma antena Vivaldi e a segunda, conectada ao osciloscópio, foi configurada como um receptor. Um pulso de alta voltagem com um conteúdo espectral semelhante a uma rajada de raios foi transmitido simultaneamente.

Para estabelecer o valor exato, N = 107 conjuntos de 100 eventos zero foram criados usando o bootstrap inicial (método de geração de pseudo-amostras de Monte Carlo com base na amostra disponível). Em seguida, um espectrograma médio foi compilado para cada conjunto e uma estimativa do critério estatístico subtraída da banda lateral de excesso de potência na região do sinal foi realizada.

Para dados nulos, o critério estatístico foi TS nulo = 2,206,56 -6,20 , e para os dados medidos TS dados = 61,2 7,40 -6,58 .

Assim, o experimento possibilitou observar a reflexão do radar a partir de uma cascata de partículas em um material denso (no gelo). O sinal gravado está em excelente concordância com as expectativas teóricas e a probabilidade de que sejam apenas vibrações de fundo é extremamente pequena.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo


Os neutrinos são extremamente difíceis de estudar, porque se comportam como moscas: somente você agitou o pacote do jornal, pois ele já havia desaparecido de vista. No entanto, nem tudo é tão desesperador, pois existem várias técnicas que nos permitem estudar essas partículas. Neste trabalho, um novo método foi considerado, baseado no eco de radar de uma cascata de partículas geradas por neutrinos interagindo em uma substância densa, que neste caso era o gelo.

Anteriormente, os neutrinos já eram registrados no gelo da Antártica, mas eram neutrinos de baixa energia. Com neutrinos de alta energia, as coisas são um pouco mais complicadas. Neste estudo, os cientistas realizaram um experimento em que o papel do gelo era desempenhado por um alvo de plástico de 4 metros de comprimento. Eles miraram o alvo no alvo e o bombardearam com elétrons empacotados em um pequeno grupo simulando neutrinos. Se os cálculos estiverem corretos, a energia total desse grupo deve ser igual à energia total de um neutrino de alta energia. Em seguida, as ondas de rádio foram enviadas para o alvo, que registrou uma cascata de partículas.

O estudo dos neutrinos é de grande importância, pois são as únicas partículas que se movem ao longo de um caminho reto constante. Portanto, você pode rastrear sua fonte, o que permitirá que você aprenda muito mais sobre os processos que estão ocorrendo no Universo do que sabemos no momento.

O próximo passo neste estudo prospectivo é realizar experimentos não em laboratório com plástico, mas diretamente na Antártica com gelo real. Isso permitirá que você descubra quão eficaz é o método das ondas de rádio no campo, por assim dizer.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)

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