«-Видишь суслика? -Нет. -И я не вижу, а он есть.» — этой цитатой можно достаточно доходчиво описать ситуацию с нейтрино. Многие годы ученые со всего мира пытались понять природу этих загадочных субатомных частиц, объяснить их поведение и описать их характеристики. Однако это далеко не самая легкая задача, ведь чтобы что-то изучить, это нужно сначала «поймать». Ученые из университета штата Огайо (США) предложили свой метод поимки и, как следствие, изучения нейтрино, одну из основных ролей в котором играет Антарктический лед. Какие физические феномены были задействованы в поимке нейтрино, почему именно лед помогает в этом процессе и что нового удалось выяснить об одной из самых загадочных частиц? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Нейтрино это нейтральные (у них нет электрического заряда) частицы с полуцелым спином. Эти частицы буквально проходят сквозь все, что стоит у них на пути. Существуют как нейтрино малой энергии, которые очень слабо взаимодействуют с веществом, так и нейтрино высокой энергии, взаимодействие которых с веществом можно зафиксировать.

В данном исследовании ученые акцентировали свое внимание именно на нейтрино высокой энергии (? 10¹⁶ эВ). Потенциал этих частиц заключается в вероятной возможности использовать их для изучения космических лучей*, которые регистрируются вплоть до ~10²⁰ эВ.

Космические лучи* — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве.

В отличие от космических лучей, которые рассеиваются на фоне космического микроволнового излучения и также отклоняются в магнитных полях, обнаруженные нейтрино могут прямо указывать на свои источники.

Когда нейтрино высокой энергии взаимодействуют в веществе, они производят релятивистский каскад частиц, а также цепочку нерелятивистских электронов и ядер, образующихся в результате потери энергии релятивистских частиц*.

Релятивистская частица* — частица, движущаяся со скоростью, сравнимой со скоростью света.

Профиль этого каскада представляет собой эллипсоид длиной 10 м и радиусом примерно 0.1 м. Практически вся энергия первичного взаимодействия уходит на ионизацию среды.

Отдельные каскадные электроны и позитроны* излучают некогерентное оптическое черенковское излучение*, которое можно зафиксировать посредством TeV–PeV детекторов (например, нейтринная обсерватория IceCube).

Позитрон* — античастица электрона.

Античастица* — двойник некой частицы с такой же массой и спином, но с противоположными характеристиками взаимодействия (электрический заряд, цветовой заряд и т.д.).

Черенковское излучение* (эффект Черенкова) — заряженная частица в прозрачной среде вызывает свечение, если движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.

IceCube* — нейтринная обсерватория в Антарктиде на глубине от 1450 до 2450 м, где расположены «нити» с прикрепленными к ним оптическими детекторами (по 60 фотоумножителей на каждую нить). Оптическая система регистрирует черенковское излучение мюонов высокой энергии, движущихся из-под земли. Зафиксированные мюоны являются продуктом взаимодействия мюонных нейтрино с электронами и нуклонами льда и грунта.

Существующий проект обновленной обсерватории (IceCube-Gen2) обладает своими недостатками — оптическая составляющая недостаточно мощная для детекции нейтрино высокой энергии из-за резкого падения спектра нейтрино.

Следовательно, необходимо искать более подходящие методы поимки нейтрино высокой энергии. Одни методы основаны на когерентном радиочастотном черенковском излучении от суммарной асимметрии заряда в каскаде. Другие изучают лептоны, которые могут производиться взаимодействующими нейтрино.

Также существует вариант обнаружения каскадов за счет радиолокационных отражений от ионизационного следа, оставленного на пути каскада. Данный метод обещает быть чрезвычайно точным, что и обеспечило ему особое внимание исследовательской группы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые применили вышеописанный метод для успешного наблюдения радиолокационного эха от каскада частиц.

Подготовка к эксперименту

Изображение №1: схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка была подготовлена и установлена в национальной ускорительной лаборатории SLAC.

В качестве мишени установки, куда был направлен луч электронов, использовался полиэтилен высокой плотности (HDPE). В мишень транслировался непрерывный сигнал в диапазоне частот 1…2.1 ГГц, используя один генератор сигналов, усилитель мощности (50 Вт) и передающую антенну (TX). Принимающие антенны (RX) также были направлены на эту цель для измерения радиолокационного отражения.

В опытах было использовано два типа антенн: сверхширокополосная антенна Вивальди (0,6–6 ГГц) с измеренным коэффициентом передачи +12 дБи (изотропный децибел) на частоте 2 ГГц; логопериодическая дипольная антенна (LPDA) 0,9–4 ГГц, сделанная специально для этого исследования.

LPDA использовался в сочетании с параболическим отражателем с измеренным коэффициентом передачи +18 дБи на частоте 2 ГГц.

Вокруг выхода луча находился интегрирующий ток тороид (ICT), который позволяет точно измерить заряд в каждом сгустке.

Сбор данных был разделен на подпрограммы, состоящие из 100–500 событий. Между подпроцессами некоторые параметры (частота TX, амплитуда TX, положение TX и положение RX) варьировались. Опыты, в которых данные были взяты для анализа, называются сигнальными прогонами. Другие подпроцессы были зарезервированы для сбора фоновых данных. Продолжительность одного опыта составила 8 дней.

В случае использования в данном эксперименте передатчика и приемника спектральное содержание отраженного сигнала является одновременно функцией ? и геометрией каскада. Для компактного каскада, как и в случае проведенного опыта, любое время жизни, превышающее 1 нс, привело бы к значительному радиолокационному отражению на передаваемой частоте. Передача велась при пиковой мощности в 50 Вт без усиления приемника. С такой настройкой ожидался радиолокационный сигнал с уровнем нескольких мВ и продолжительностью в несколько наносекунд на частоте передатчика.

Результаты эксперимента

После фильтрации набор данных подвергался дальнейшей обработке с использованием метода, разработанного в ходе анализа первого опыта. Чтобы исследовать как временное, так и спектральное содержание сигнала, для каждого отфильтрованного события в серии сигналов была сформирована частотно-временная спектрограмма, и эти спектрограммы были усреднены.


Изображение №2

На изображении №2 показан результат этого процесса. Тут же можно отчетливо увидеть избыток в реальных данных, а не в нулевых данных, на частоте передатчика 2,1 ГГц с длительностью в несколько наносекунд.

Подобное превышение наблюдалось на многих частотах передачи, положениях антенн и на разных антеннах, но никакого превышения не наблюдается в одно и то же время и в частотной точке в нулевых данных.

Сигнал с наибольшей амплитудой принимался во время опытов с горизонтально поляризованной антенной с высоким коэффициентом передачи под зеркальным углом, где результирующий сигнал (с SVD-фильтрацией, SVD — сингулярное разложение) был достаточно большим для извлечения во временной области посредством тщательного выравнивания и усреднения. Выравнивание было выполнено так, чтобы события могли сдвигаться не более чем на долю периода передачи.


Изображение №3

На изображении выше показано результирующее среднее значение во временной области. Также тут показано сравнение опытных результатов с теми, что были получены в ходе FDTD моделирования (FDTD — метод конечных разностей во временной области) того же сигнала, а также в ходе моделирования RadioScatter (программное обеспечение для моделирования радиолокационного эха от каскадов частиц).

Также было произведено несколько проверок, которые позволили удостовериться в том, что наблюдаемый сигнал обладает свойствами, соответствующими радиолокационному рассеянию. Одним из таких подтверждающих критериев является факт того, что сигнал масштабируется с выходной мощностью передатчика (изображение №4).


Изображение №4

Ученые отмечают, что поскольку сигнал настолько мал по отношению к всплеску луча, а нулевая гипотеза* опирается на линейную комбинацию фоновых компонентов, очевидной проблемой является нелинейность всей системы.

Нулевая гипотеза* — предположение, принимаемое по умолчанию, о том, что между двумя наблюдаемыми событиями нет связи.

Было проведено несколько опытных прогонов системы, в которых непрерывный сигнал на той же частоте и амплитуде усиливался и транслировался через одну антенну Вивальди, а вторая, подключенная к осциллографу, была настроена в качестве приемника. Импульс высокого напряжения со спектральным содержанием, подобным всплеску луча, передавался одновременно.

Чтобы установить точное значение, было создано N = 107 наборов из 100 нулевых событий с помощью начального бутстрэпа (метод генерации псевдовыборок методом Монте-Карло на основе имеющейся выборки). Далее была составлена средняя спектрограмма для каждого набора и проведена оценка статистического критерия вычитаемой из боковой полосы избыточной мощности в области сигнала.

Для нулевых данных статистический критерий составил TS_null= 2.20 ^+6.56_-6.20, а для измеренных данных TS_data= 61.2 ^+7.40_-6.58.

Таким образом эксперимент позволил наблюдать радиолокационное отражение от каскада частиц в плотном материале (во льду). Зафиксированный сигнал отлично согласуется с теоретическими ожиданиями, а вероятность того, что это лишь фоновые колебания, крайне мала.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Нейтрино крайне сложно изучать, поскольку они ведут себя как мухи: только ты замахнулся свертком газеты, как она уже исчезла из виду. Однако все не так безнадежно, поскольку существует ряд методик, позволяющих изучать эти частицы. В данном труде был рассмотрен новый метод, основанный на радиолокационном эхе от каскада частиц, генерируемого нейтрино, взаимодействующих в плотном веществе, которым в данном случае выступил лед.

Ранее нейтрино уже фиксировали во льдах Антарктиды, однако это были нейтрино низкой энергии. С нейтрино высокой энергии все немного сложнее. В данном исследовании ученые провели эксперимент, в котором роль льда исполнила пластиковая мишень длиной 4 метра. Они направили установку на мишень и бомбардировали ее электронами, упакованными в крошечную связку, симулирующую нейтрино. Если расчеты были верны, то полная энергия такого сгустка должна быть равной полной энергии нейтрино высокой энергии. Затем на мишень направлялись радиоволны, которые фиксировали каскад частиц.

Изучение нейтрино имеет большое значение, поскольку это единственные частицы, которые движутся по постоянной прямой траектории. Следовательно, можно отследить их источник, что позволит узнать гораздо больше о протекающих во Вселенной процессах, чем мы знаем на данный момент.

Следующим шагом этого перспективного исследования является проведения экспериментов не в лаборатории с пластиком, а непосредственно в Антарктиде с настоящим льдом. Это позволит узнать насколько эффективен метод радиоволн в полевых условиях, так сказать.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?