Hvordan neutrinoer kunne revolutionere kommunikationen med ubåde

Kommunikation under vandet er en vanskelig forretning, som enhver chef for en atomubåd vil fortælle dig. Disse fyre kan forblive skjulte mere eller mindre på ubestemt tid og operere i en dybde på 300 meter eller deromkring, men at kommunikere er en alvorlig smerte i agterstavnen, fordi det kun kan gøres nær havoverfladen, hvor ubåde er mest sårbare over for detektion og angreb.

Det skyldes, at radiobølger ikke bevæger sig godt gennem vand. Kun ekstremt lavfrekvente (ELF) bølger (med en frekvens mindre end 100Hz) gør fremskridt i vandet. Men de er svære at producere ved høj effekt, og selv da tillader de kun datahastigheder på omkring 1 bit i minuttet.

I stedet er ubådsfartøjer nødt til at stole på meget lavfrekvente (VLF) bølger på nogle få kilohertz. Disse tillader op til 50 bits i sekundet, men de rejser ikke langt gennem vandet. Det betyder, at de kun kan detekteres ved at trække en lang radioantenne tæt på overfladen.

Så hvordan kan man forbedre tingene? Et forslag er at bruge neutrinoer til at sende information. Problemet er, at selvom neutrinoer let passerer gennem vand, passerer de også gennem alt andet, hvilket gør dem tæt på umulige at opdage. Af den grund har neutrinokommunikation altid været tænkt som en ikke-starter.

Nu tyder en ny analyse på, at ubådsfolk kan have været for hurtige til at afvise neutrinoer. Patrick Huber, en fysiker ved Virginia Tech, siger, at neutrinokommunikation kunne tilbyde datahastigheder på op til 100 bits i sekundet i enhver dybde. Det er tre størrelsesordener bedre end ELF-kommunikation.

Så hvad ændrer sig for at gøre neutrinokommunikation praktisk? For det første, siger Huber, er evnen til at generere og detektere intense stråler af neutrinoer. Fysikere genererer stråler af neutrinoer ved at accelerere myoner til høj energi, som derefter henfalder og producerer neutrinoer, der på grund af den bevægelige referenceramme er tæt kollimeret. At opdage neutrinoer er simpelthen denne proces omvendt. Når neutrinoerne interagerer med stoffet, producerer de myoner, som relativt let kan påvises.

Men hvor let kan dette gøres for ubådskommunikation? Huber siger, at en af ​​de mest intense neutrinostråler bruges i et eksperiment kaldet MINOS, som sender en stråle fra Fermi National Accelerator Laboratory i Chicago til en 5.000 metrisk tons myondetektor i en mine i det nordlige Minnesota, en afstand på mere mere end 700 km.

Problemet er, at detektoren i de to år, MINOS har kørt, kun har set 730 myoner. Det er klart, at der kræves en forbedring på mindst seks størrelsesordener, siger Huber, uden en lille underdrivelse.

Men han mener, at denne form for forbedring vil være mulig med den næste generation af myonacceleratorer.

Lad os tage hans ord på det. Spørgsmålet er så, hvordan man opdager disse neutrinoer i en ubåd. Her har Huber været lidt mere kreativ. Han siger, at der grundlæggende er to måder at se neutrinoer på. Vi ville bruge tynde muon-detektor-moduler, som kan bruges meget ligesom tapet til at dække størstedelen af ​​fartøjets skrog, siger Huber. Dette forvandler effektivt en ubåd til en kæmpe, cylindrisk myondetektor på omkring 10 meter i diameter og 100 meter lang.

Hvordan ville dette fungere? Myonerne ville komme ind på den ene side af ubåden og forlade den på den anden side, siger han. Ind- og udgangspunkterne måles, og dermed kan muonretningen rekonstrueres ret præcist.

Men der er også en anden måde at detektere neutrinoer på: se efter Cerenkov-lysstrålingen produceret af hurtigt bevægende muoner i havvand. Det er smart, fordi det giver dig mulighed for at skabe en detektor med dimensioner, der er nogenlunde den afstand, som lyset rejser i havvand, cirka fire kilometer eller deromkring. Selvfølgelig er der ingen mangel på støj fra bioluminescens, sollys og måneskin, men Huber virker overbevist om, at alt dette kunne filtreres fra.

Den nederste linje er, at ubåde en dag kunne bruge denne teknologi til at modtage beskeder med datahastigheder på op til 100 bits i sekundet.

Der er selvfølgelig én ulempe. Det er kun muligt at modtage beskeder i en ubåd på denne måde, ikke at sende dem. Det er ikke noget, tv-seerne har bekymret sig meget om. Men chefer for atomubåde kan have en anden opfattelse.

Ref: arxiv.org/abs/0909.4554 : Ubåds neutrinokommunikation

skjule