Смогут ли нейтрино заменить радио?
Ускоритель Теватрон в Национальной лаборатории имени Ферми (Фермилаб), 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
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 в 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».
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.
Оригинал на английском языке - http://news.discovery.com/space/minerva-sends-a-message-in-a-neutrino-beam-120320.html
Перевод А.Буслаева
В продолжение темы: детекторы для
нейтринной связи разрабатываются в Новосибирске.