29 марта 2012

Смогут ли нейтрино заменить радиосвязь?

Atomic-Energy.ru

Ускоритель Теватрон в Национальной лаборатории имени Ферми (Fermi Lab), хотя и прекратил свою работу в 2011 году, но различные эксперименты на данном объекте по-прежнему активно проводятся. Например, недавно команда Фермилаба использовала импульсный источник пучков нейтрино на Главном инжекторе Теватрона для передачи кодированного цифрового сигнала на детектор, расположенный на расстоянии в 1 км. Получается нечто подобное телеграфу, только с использованием нейтрино вместо электромагнитных волн.

Хотя радиосвязь распространена повсеместно, но есть случаи, когда она неприменима. Например, если космический аппарат укрылся за Луной или планетой, радиосвязь обычно прерывается из-за помех. Подводные лодки часто теряют радиосвязь в глубокой воде, поскольку проникать через воду способны только сверхнизкочастотные волны. Даже в этом случае скорость передачи данных составляет 1 бит в минуту.

В 2009 году, физик из Политехнического университета Вирджинии Пол Хубер (Paul Huber) предположил, что использование потоков нейтрино для связи с подводными лодками позволит преодолеть эти проблемы и обеспечить передачу данных со скоростью до 100 бит в секунду.

Нейтрино – это элементарные частицы, движущиеся, по версии официальной науки, со скоростью света (проводившиеся в сентябре и ноябре 2011 года в ЦЕРНе эксперименты OPERA дали основание для утверждений о возможности сверхсветовой скорости нейтрино). Эти частицы не имеют электрического заряда, и, как считалось до недавнего времени, не имеют массы. Их чрезвычайно трудно зафиксировать, поскольку они очень слабо взаимодействуют с любыми типами материи. Только одно из триллиона солнечных нейтрино способно столкнуться с атомом на Земле.

Предлагаемая Хубером технология заключается в следующем. Нейтринный пучок, производимый мюонным ускорителем, будет обладать чрезвычайно большой интенсивностью. Получаемые в этом ускорителе мюоны распадаются на электрон (или позитрон) и 2 нейтрино. Чтобы их обнаружить, нужно произвести обратный процесс. Когда нейтрино взаимодействуют с частицей материи – скажем, с атомом хлора в водном растворе, они испускают мюоны, которые легко зафиксировать.

В статье, опубликованной в журнале Technology Review, Хубер предложил два возможных варианта использования нейтрино как средства связи для подводных лодок. Во-первых, вся поверхность судна может быть покрыта модулями для детектирования мюонов, как высокотехнологичными обоями. Во-вторых, можно использовать детекторы, которые будут фиксировать в воде черенковское излучение, возникающее при взаимодействии нейтрино с веществом

Хубер был не первым, кому пришла в голову такая идея. Еще в 1980-х годах инженер-электрик Дэн Стенсил (Dan Stancil),  работая в университете Карнеги-Меллона, говорил о возможности использования аксионов – гипотетических частиц, предсказываемых теориями «темной материи» - для практического использования в связи, используя их свойство слабого взаимодействия.

Впоследствии, в 2009 году, один из его бывших студентов Джим Довни (Jim Downey), рекомендовал Стенсилу использовать 170-тонный нейтринный детектор MINERvA. Преимущество такого варианта в том, что этот детектор расположен недалеко от интенсивного потока нейтрино от эксперимента NuMi (Neutrinos at the Main Injector) в Фермилабе, и при этом поток пульсирует, что делает возможным проводить эксперименты с «нейтринным телеграфом».

 

Детектор MINERvA

 

В конечном итоге, потребовалось 2 часа машинного времени на то, чтобы с помощью манипуляции пульсациями передать на детектор слово «нейтрино», записанное в 7-битном ASCII-коде, где импульс нейтрино соответствовал единице в двоичной системе, а отсутствие импульса соответствовало нулю. MINERvA смогла распознать сигнал с 99%-й точностью - хотя потоку нейтрино пришлось пройти через скалу толщиной не менее 240метров.

Конечно, до практического применения этой технологии еще далеко. Скорость передачи данных пока составляет только 0,1 бит в секунду, что далеко от идеального варианта – до 100 бит в секунду. Пока еще только доказана принципиальная возможность такого вида связи. Для ее практической реализации необходимы значительно более мощные передатчики и детекторы. Те же подводные лодки, хотя в принципе и могут получить сигнал через нейтрино, однако на них не поместится аппаратура, способная дать ответ. Было бы интересно использовать нейтрино для космической (в перспективе – и межзвездной) связи (что сулит особенно большие перспективы в случае, если гипотеза о сверхсветовой скорости нейтрино подтвердится), но мощностей имеющихся сегодня источников и детекторов для этого не хватает. Однако технологии с течением времени развиваются, и то, что кажется невозможным сегодня, станет возможным завтра. Может быть, когда-нибудь нейтринная связь заменит радио.