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如果可以的话，请抓住我：无线电波，一连串的粒子和冰来捕获中微子



“-你看到地鼠了吗？” -没有。“我看不到，但他是。” -用这个报价可以很清楚地描述中微子的情况。多年来，来自世界各地的科学家一直在试图了解这些神秘的亚原子粒子的性质，解释其行为并描述其特征。但是，这远非最简单的任务，因为要学习某些东西，您必须先“抓住”它。美国俄亥俄州大学的科学家提出了他们自己的捕获方法，并因此研究了中微子，这是南极冰在其中发挥的主要作用之一。中微子的捕获涉及哪些物理现象，为什么冰在此过程中有所帮助，以及关于最神秘的粒子之一可以发现什么新东西？这些问题的答案在研究组的报告中等待着我们。走。

学习基础


中微子是具有半整数自旋的中性粒子（它们不带电荷）。这些粒子从字面上穿过所有阻碍它们的东西。低能中微子与物质的相互作用非常弱，高能中微子与物质的相互作用可以被固定。

在这项研究中，科学家专注于高能中微子（﹥ 10 16 eV）。这些粒子的潜能在于使用它们研究宇宙射线*的可能可能性，这些宇宙射线被记录到〜10 20 eV。
宇宙射线* -在外层空间以高能量运动的原子的基本粒子和原子核。
与宇宙射线不同，宇宙射线是在宇宙微波辐射的背景下散射并在磁场中偏转的，而探测到的中微子可以直接指向它们的源头。

当高能中微子在物质中相互作用时，它们会产生相对论级联的粒子，以及由于相对论性粒子的能量损失而产生的非相对论性电子和核链。
相对论粒子* -以与光速相当的速度运动的粒子。
该级联的轮廓是一个长10 m，半径约0.1 m的椭圆形，几乎所有主要相互作用的能量都流向了介质的电离。

单独的级联电子和正电子*发出不相干的切伦科夫光辐射*，可以使用TeV – PeV检测器（例如，IceCube中微子观测站）进行检测。
正电子*是电子的反粒子。

反粒子*是具有相同质量和自旋但具有相反相互作用特性（电荷，色电荷等）的某个粒子的两倍。
* ( ) — , , .
IceCube* — 1450 2450 , «» ( 60 ). , - . .
更新的天文台（IceCube-Gen2）的现有项目有其缺点-由于中微子光谱急剧下降，光学组件的功能不足以检测高能中微子。

因此，有必要寻找更适合的捕获高能中微子的方法。一些方法基于级联中电荷的总不对称性，基于相干射频Cherenkov辐射。其他人研究可通过中微子相互作用产生的轻子。

由于雷达从级联路径中留下的电离迹道反射而产生的反射，因此还可以检测级联。这种方法有望非常精确，这使他特别受到研究团队的关注。

在我们今天正在考虑的工作中，科学家已将上述方法成功地用于观察级联粒子的雷达回波。

准备实验




图片编号1：实验设置。

实验装置已经准备好并安装在SLAC国家加速器实验室中。

高密度聚乙烯（HDPE）用作定向电子束的设备的目标。使用单个信号发生器，功率放大器（50 W）和发射天线（TX）在1 ... 2.1 GHz频率范围内将连续信号发射到目标。接收天线（RX）也已针对此目的测量雷达反射。

实验中使用了两种类型的天线：Vivaldi超宽带天线（0.6–6 GHz），在2 GHz频率下测得的传输系数为+12 dBi（各向同性分贝）；对数周期偶极天线（LPDA）0.9–4 GHz，是专门为这项研究而制造的。

LPDA与抛物面反射器结合使用，在2 GHz频率下，测量的增益为+18 dBi。

光束出口周围是一个积分环形电流（ICT），该电流可以精确测量每束中的电荷。

数据收集分为由100-500个事件组成的例程。在子过程之间，某些参数（TX频率，TX幅度，TX位置和RX位置）有所不同。采集数据进行分析的实验称为信号运行。保留了其他子过程来收集背景数据。一个实验的持续时间为8天。

在本实验中使用发射器和接收器的情况下，反射信号的频谱含量既是τ的函数，也是级联几何的函数。对于紧凑级联，如在实验中的情况一样，任何超过1 ns的寿命都将导致雷达在发射频率下发生明显反射。发射是在50 W的峰值功率下进行的，没有放大接收器。在此设置下，预期雷达信号在发射器频率处的电平为几mV，持续时间为几纳秒。

实验结果


过滤后，使用在第一个实验的分析中开发的方法对数据集进行进一步处理。为了研究信号的时间和频谱内容，针对一系列信号中的每个滤波事件生成了频率-时间频谱图，并对这些频谱图进行了平均。


2

号图像2号图像显示了此过程的结果。在这里，您可以清楚地看到在2.1 GHz的发射器频率（持续几纳秒）时，实际数据而不是零数据中的多余数据。

在许多传输频率，天线位置和不同天线处观察到类似的过量，但是在零数据中的同一时间和某个频率点没有观察到过量。

在具有高镜面反射角的高传输系数的水平极化天线的实验过程中，接收到幅度最大的信号，其中得到的信号（使用SVD滤波，SVD-奇异分解）足够大，可以通过仔细的对齐和平均在时域中提取出来。进行对齐，以便可以将事件偏移不超过传输周期的一小部分。


图片编号3

上图显示了时域中的结果平均值。它还显示了实验结果与在相同信号的FDTD建模（FDTD-时域中的有限差分方法）期间以及在RadioScatter（用于模拟来自粒子级联的雷达回波建模的软件）模拟过程中获得的结果的比较。

还进行了几次检查，这使得有可能验证观察到的信号具有与雷达散射相对应的特性。这些支持标准之一是信号随发送器的输出功率缩放的事实（图4）。


第4张图片

科学家注意到，由于信号相对于光束猝发非常小，因此零假设*依赖于背景成分的线性组合；整个系统的非线性是一个明显的问题。
零假设*是两个观察到的事件之间没有关联的默认假设。
对该系统进行了几次实验运行，其中以相同的频率和幅度连续信号被放大并通过一个Vivaldi天线发送，第二个连接到示波器的天线被配置为接收器。同时发射光谱成分类似于射线猝发的高压脉冲。

为了确定准确值，使用初始引导程序（基于可用样本的蒙特卡罗伪样本生成方法）创建了N = 107组100个零事件。接下来，为每组汇编平均频谱图，并从信号区域中多余功率的边带中减去统计标准的估计值。

对于空数据，统计标准为TS 空 = 2.20+6.56 -6.20，对于测量数据TS 数据 = 61.2 +7.40 -6.58。

因此，该实验使从密集材料（在冰中）中的级联粒子观察雷达反射成为可能。所记录的信号与理论预期非常吻合，并且这些仅仅是背景振动的可能性非常小。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告。

结语


中微子极难研究，因为它们的行为像苍蝇：只有您挥动那捆报纸，因为它已经从视线中消失了。但是，并不是所有事情都那么无望，因为有许多技术可以让我们研究这些粒子。在这项工作中，考虑了一种新方法，该方法基于中微子在致密物质（在本例中为冰）中相互作用产生的级联粒子的雷达回波中。

以前，中微子已经固定在南极洲的冰中，但是，它们是低能中微子。使用高能中微子，事情会更加复杂。在这项研究中，科学家进行了一项实验，其中冰是由4米长的塑料靶子扮演的。他们将目标对准目标，并用一束模拟中微子的电子轰击目标。如果计算正确，则该束的总能量应等于高能中微子的总能量。然后，无线电波被发送到目标，该目标记录了级联的粒子。

中微子的研究非常重要，因为它们是唯一沿着恒定直线运动的粒子。因此，您可以跟踪它们的来源，这将使您比我们目前知道的更多地了解宇宙中正在发生的过程。

这项前瞻性研究的下一步不是在塑料实验室中进行实验，而是直接在南极洲用真冰进行实验。可以这么说，这将使您知道无线电波方法在现场的有效性。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。:)

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