211service.com
Hur Neutrinos kunde revolutionera kommunikationen med ubåtar
Att kommunicera under vattnet är en knepig affär, som alla befälhavare för en atomubåt kommer att berätta. Dessa killar kan förbli dolda mer eller mindre på obestämd tid, och operera på ett djup av 300 meter eller så, men att kommunicera är en allvarlig smärta i aktern eftersom det bara kan göras nära havsytan, där ubåtar är mest sårbara för upptäckt och attack.
Det beror på att radiovågor inte färdas bra genom vatten. Endast extremt lågfrekventa (ELF) vågor (med en frekvens mindre än 100Hz) gör framsteg i vattnet. Men de är svåra att producera med hög effekt, och även då tillåter de bara datahastigheter på runt 1 bit per minut.
Istället måste ubåtsfartyg förlita sig på mycket lågfrekventa (VLF) vågor på några kilohertz. Dessa tillåter upp till 50 bitar per sekund, men de färdas inte långt genom vatten. Det betyder att de bara kan upptäckas genom att släpa en lång radioantenn nära ytan.
Så hur kan man förbättra saker? Ett förslag är att använda neutriner för att skicka information. Problemet är att även om neutriner lätt passerar genom vatten, passerar de också genom allt annat, vilket gör dem nästan omöjliga att upptäcka. Av den anledningen har neutrinokommunikation alltid ansetts vara en icke-startare.
Nu tyder en ny analys på att ubåtsmän kan ha varit för snabba med att avfärda neutriner. Patrick Huber, fysiker vid Virginia Tech, säger att neutrinokommunikation kan erbjuda datahastigheter på upp till 100 bitar per sekund på vilket djup som helst. Det är tre storleksordningar bättre än ELF-kommunikation.
Så vad förändras för att göra neutrinokommunikation praktisk? För det första, säger Huber, är förmågan att generera och detektera intensiva strålar av neutriner. Fysiker genererar strålar av neutriner genom att accelerera myoner till hög energi, som sedan sönderfaller och producerar neutriner som, på grund av den rörliga referensramen, är tätt kollimerade. Att upptäcka neutriner är helt enkelt denna process i omvänd riktning. När neutrinerna interagerar med materia producerar de myoner som relativt lätt kan upptäckas.
Men hur lätt kan detta göras för ubåtskommunikation? Huber säger att en av de mest intensiva neutrinostrålarna används i ett experiment som kallas MINOS, som skickar en stråle från Fermi National Accelerator Laboratory i Chicago till en 5 000 ton myondetektor i en gruva i norra Minnesota, ett avstånd på mer än 700 km.
Problemet är att under de två år som MINOS har varit igång har detektorn bara upptäckt 730 myoner. Uppenbarligen krävs en förbättring på minst sex storleksordningar, säger Huber, utan någon liten underdrift.
Men han tror att denna typ av förbättring kommer att vara möjlig med nästa generation av myonacceleratorer.
Låt oss ta hans ord på det. Frågan är då hur man kan upptäcka dessa neutriner i en ubåt. Här har Huber varit lite mer kreativ. Han säger att det i huvudsak finns två sätt att upptäcka neutriner. Vi skulle använda tunna muon-detektormoduler, som kan användas mycket som tapeter för att täcka större delen av fartygets skrov, säger Huber. Detta förvandlar effektivt en ubåt till en gigantisk, cylindrisk myondetektor som är cirka 10 meter i diameter och 100 meter lång.
Hur skulle detta fungera? Myonerna skulle komma in på ena sidan av ubåten och lämna den på andra sidan, säger han. Ingångs- och utgångspunkterna mäts, och därmed kan myonriktningen rekonstrueras ganska exakt.
Men det finns också ett annat sätt att upptäcka neutriner: leta efter Cerenkov-ljusstrålningen som produceras av snabbrörliga myoner i havsvatten. Det är smart, eftersom det låter dig skapa en detektor med dimensioner som är ungefär det avstånd som ljuset färdas i havsvatten, ungefär fyra kilometer eller så. Naturligtvis finns det ingen brist på brus från bioluminescens, solljus och månsken, men Huber verkar övertygad om att allt detta skulle kunna filtreras bort.
Summan av kardemumman är att ubåtsfartyg en dag skulle kunna använda denna teknik för att ta emot meddelanden med datahastigheter på upp till 100 bitar per sekund.
Det finns en nackdel, naturligtvis. Det är bara möjligt att ta emot meddelanden i en ubåt på detta sätt, inte att skicka dem. Det är inget som tv-tittarna har oroat sig särskilt mycket över. Men befälhavare för atomubåtar kan ha en annan uppfattning.
Ref: arxiv.org/abs/0909.4554 : Ubåtsneutrinokommunikation