Na prahu přenosu dat pomocí neutrin  
Do paprsků neutrin se podařilo zašifrovat a do jeskyně v podzemí přeposlat první slovo.


Kdyby vědecko-popularizační článek začal informací, že více než stočlenný mezinárodní tým zveřejnil výsledky experimentů, při nichž se podařilo s rychlostí 0,1 bitu za jednu sekundu, tedy 1 bit - nula nebo jednička binárního kódu - za deset sekund, bezdrátově přenést osm slov na vzdálenost 1 035 metrů s jednoprocentní chybou při dekódování, asi byste si řekli, že na aprílový žert je ještě brzo. Přesto nejde ani o „oslovinu“ starou několik desetiletí, ale o výsledky současného výzkumu, o němž by mělo některé z nejbližších vydání odborného časopisu Modern Physics Letters teprve referovat. Informace zmíněným „hlemýždím“ tempem totiž přenášela neutrina – ty skoro jako světlo rychlé, těžko polapitelné, téměř nehmotné částice, které si prolétají hmotou jako by ani nebyla i proto, že nemají elektrický náboj, a tedy je neovlivňují elektrická a magnetická pole. Interagují jenom pomocí slabé jaderné síly. Podle odhadů na každý centimetr plochy kolmé ke směru k Slunci dopadá každou sekundu asi 65 miliard „slunečních“ neutrin a než dočtete konec této věty, vašim tělem se jich proženou biliony. Přesto alespoň některé z tohoto gigantického množství chytit do pasti je nesmírně technicky i finančně nákladné – podrobně se tomu věnuje Vladimír Wagner v článku Jak neutrina lovit – detektory neutrin.

 

Zvětšit obrázek
Z urychlovače Main Injector letí 8 mikrosekund dlouhý paprsek protonů s energií 120 GeV do uhlíkového terče, kde tyto baryony vrážejí do atomových jader a produkují spršky sekundárních částic, z nichž mnohé jsou nestabilní a mezi produkty jejich rozpadů jsou i neutrina. (Kredit: projekt MINERνA )

Jaký má smysl hledat možnost přenosu informací právě pomocí těchto částic, když jejich cílená produkce si vyžaduje zařízení, jehož součástí je urychlovač a detekce je také náročná po všech stránkách? Právě proto, že hmotu ignorující neutrina se dostanou i tam, kam elektromagnetické vlny nemohou, alespoň ne přímo. Mohla by tak umožnit například spojení s družicemi prolétávajícími nad odvrácenou stranou Měsíce bez nutnosti mít pomocné vykrývací satelitní systémy v dohledu, nebo komunikaci s ponorkami a jinými zařízeními v mořských hlubinách. Ty budou pro příští generace zajímavější a důležitější, než jsou pro nás dnes. Samozřejmě, že se stávajícími technologiemi přímočará komunikace pomocí neutrin běžně využitelná není, přesto nemusí jít o příliš vizionářskou myšlenku a slepou cestu dlouhého vývoje.

 

Že neutrina dokážeme namířit na relativně malý cíl i na velkou vzdálenost, dokazuje nedávno tak často zmiňovaný experiment OPERA. Právě ten, jehož výsledky vyvolaly rozruch, protože naznačovaly, že se neutrina s velmi malou klidovou hmotností pohybují rychleji než světlo. Vše ale dává zapravdu skeptikům, kteří předpokládali neodhalenou chybu měření, a tak teorie relativity i naše zažité fyzikální představy i touto zkouškou téměř jistě úspěšně projdou. OPERA, stejně jako řada dalších neutrinových projektů, však posouvá nejen teoretické poznání v oblasti částicové fyziky, ale také technické znalosti umožňující co nejefektivněji neutrina produkovat, usměrňovat jejich paprsky i zachytávat. A to je pro jejich případné budoucí využití to nejdůležitější. Dan Stancil, profesor v oboru výpočetní techniky a elektrotechniky na North Carolina State University, který mezinárodnímu týmu fyziků velí, připomíná, že neutrina umožňují komunikaci mezi libovolnými dvěma body na Zemi bez použití satelitů nebo kabelů, a to by bezpochyby mělo důležitý strategický význam.

 

Vědci pro experiment využili stávající zařízení. Zdrojem neutrin byl projekt NuMI (Neutrinos at the Main Injector) ve známé Fermiho národní laboratoři s urychlovačem – Fermilabu, nedaleko Chicaga. V něm donedávna velmi úspěšně pracoval i Tevatron, nejvýkonnější urychlovač světa z dob před spuštěním švýcarského Velkého srážeče hadronů - LHC. Ve Fermilabu doposud funguje „hlavní vstřikovač“ – Main Injector, prstencový urychlovač s obvodem přes 3 kilometry, který je schopný udělit urychlovaným kladně nabitým protonům energii 120 GeV. Jejich krátké vysokoenergetické pulzy v trvání 8,1 mikrosekund a s periodou 2,2 sekundy jsou z urychlovače nasměřovány do uhlíkového terče, v němž ve srážkách s atomovými jádry produkují spršky sekundárních částic různých typů. Některé z nich (téměř všechny piony a kaony) se ve 675 metrů dlouhé, heliem vyplněné trubici rychle rozpadají na neutrina (povětšinou mionová) a další částice (obr.1). Tyto rozpadové produkty pak procházejí 240 metrů mocnou vrstvou horniny, která pohltí všechny částice kromě neutrin. Většinu z nich, 88 %, tvoří mionová neutrina, 11 % připadá na mionová antineutrina a nepatrný jednoprocentní podíl na neutrina elektronová. I když energie některých těchto částic dosahuje hodnoty okolo 80 GeV, přes 90 % jich má méně než 10 GeV a maximum energetického spektra se pohybuje okolo hodnoty 3,2 GeV. Neutrinový proud pak ve vzdálenosti asi jeden kilometr od zdroje prochází dvěma blízkými detektory MINERνA a MINOS a letí pak zemí dál směrem k 735 km vzdálenému starému dolu na železnou rudu v americkém státě Minnesota. V něm je umístěn další detektor projektu MINOS.

 

Zvětšit obrázek
Neutrinový detektor MINERνA. Podrobný popis projektu.

Pro dešifrování vzkazu zakódovaného do neutrinových pulzů vědci využili zmíněný detektor MINERνA, který je umístěn v jeskyni, 100 metrů pod zemským povrchem, ve vzdálenosti jenom 1 035 metrů od zdroje ve Fermilabu. Tímto zařízením ale nelze vybavit žádnou ponorku, tím spíše kosmickou družici, protože představuje 170tunový kolos sestavený ze tří dvojic vůči sobě o 60 stupňů pootočených bloků, tvořících tak šestiúhelník (obr.2). V blocích se mezi panely s luminiscenčními scintilátory nacházejí vrstvy uhlíku, olova, železa, vody a helia. Ani tato obrovská hmotná past na neutrina příliš neplatí, zachytí se v ní průměrně jedna částice z deseti miliard. I proto cílem experimentu nebylo vyřešit otázku, jak pomocí neutrin data přenášet, jako spíše zjistit, jestli se to vůbec podaří, jestli to naše současné technické vybavení umožní. Tedy zda vědci dokáží v existujících zařízeních a s vhodnými programy pro analýzu detektorem registrovaných záchytů rekonstruovat s dostatečnou přesností posloupnost nul a jedniček binárního kódu, což jinými slovy znamená určit, jestli v daném časovém úseku nebyl (= 0), nebo byl (= 1) z urychlovače směrem k uhlíkovému terči vyslán paprsek protonů. To neznamená jenom „nějaká“ neutrina zaregistrovat, ale přesně odlišit ta, jež pocházejí ze srážek ve Fermilabu od těch, které detektorem prolétají z jiných zdrojů, například ze Slunce nebo mnohem vzdálenějších vesmírných objektů.
Touto metodou se 112člennému mezinárodnímu týmu podařilo na vzdálenost 1 kilometru přenést první a zatím jediné slovo: neutrino.



Poznámky:

Článek, v němž vědci referují o výsledcích experimentu, je dostupný v databázi arxiv.


Stručný, ale dobrý přehled projektu MINERνA, jehož zařízení vědci využili k přenosu informace pomocí neutrinových paprsků.

 

Datum: 20.03.2012 10:05
Tisk článku


Diskuze:


Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace