211service.com
Hoe neutrino's de communicatie met onderzeeërs kunnen revolutioneren
Communiceren onder water is een lastige zaak, zoals elke commandant van een nucleaire onderzeeër je zal vertellen. Deze jongens kunnen min of meer voor onbepaalde tijd verborgen blijven, opererend op een diepte van 300 meter of zo, maar communiceren is een ernstige pijn in de achtersteven omdat het alleen kan worden gedaan in de buurt van het zeeoppervlak, waar onderzeeërs het meest kwetsbaar zijn voor detectie en aanval.
Dat komt omdat radiogolven niet goed door water reizen. Alleen golven met extreem lage frequentie (ELF) (met een frequentie van minder dan 100 Hz) komen in het water voort. Maar ze zijn moeilijk te produceren met een hoog vermogen, en zelfs dan staan ze slechts datasnelheden van ongeveer 1 bit per minuut toe.
In plaats daarvan moeten onderzeeërs vertrouwen op zeer laagfrequente (VLF) golven van enkele kilohertz. Deze laten tot 50 bits per seconde toe, maar ze reizen niet ver door water. Dat betekent dat ze alleen kunnen worden gedetecteerd door een lange radioantenne dicht bij het oppervlak te volgen.
Dus hoe de zaken te verbeteren? Een suggestie is om neutrino's te gebruiken om informatie te verzenden. Het probleem is dat hoewel neutrino's gemakkelijk door water gaan, ze ook door al het andere gaan, waardoor ze bijna onmogelijk te detecteren zijn. Om die reden is neutrino-communicatie altijd als een non-starter beschouwd.
Nu suggereert een nieuwe analyse dat onderzeeërs mogelijk te snel zijn geweest om neutrino's af te wijzen. Patrick Huber, een natuurkundige bij Virginia Tech, zegt dat neutrinocommunicatie op elke diepte datasnelheden tot 100 bits per seconde kan bieden. Dat is drie ordes van grootte beter dan ELF-communicatie.
Dus wat verandert er om neutrino-communicatie praktisch te maken? Ten eerste, zegt Huber, is het vermogen om intense bundels neutrino's te genereren en te detecteren. Natuurkundigen genereren bundels neutrino's door muonen te versnellen tot hoge energie, die vervolgens vervallen, waardoor neutrino's worden geproduceerd die, vanwege het bewegende referentiekader, strak gecollimeerd zijn. Het detecteren van neutrino's is gewoon dit proces omgekeerd. Wanneer de neutrino's interageren met materie, produceren ze muonen die relatief gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd.
Maar hoe gemakkelijk kan dit worden gedaan voor onderzeese communicatie? Huber zegt dat een van de meest intense neutrinostralen wordt gebruikt in een experiment genaamd MINOS, dat een straal van het Fermi National Accelerator Laboratory in Chicago naar een muondetector van 5000 ton stuurt in een mijn in het noorden van Minnesota, op een afstand van meer dan 700km.
Het probleem is dat de detector in de twee jaar dat MINOS draait, slechts 730 muonen heeft waargenomen. Het is duidelijk dat er een verbetering van ten minste zes ordes van grootte nodig is, zegt Huber met niet weinig understatement.
Maar hij gelooft dat dit soort verbetering mogelijk zal zijn met de volgende generatie muonversnellers.
Laten we dat op zijn woord geloven. De vraag is dan hoe je deze neutrino's in een onderzeeër kunt detecteren. Hier is Huber iets creatiever geweest. Hij zegt dat er in wezen twee manieren zijn om neutrino's te spotten. We zouden dunne muondetectormodules gebruiken, die heel erg als behangpapier kunnen worden gebruikt om het grootste deel van de scheepsromp te bedekken, zegt Huber. Dit verandert een onderzeeër in feite in een gigantische, cilindrische muondetector met een diameter van ongeveer 10 meter en een lengte van 100 meter.
Hoe zou dit werken? De muonen zouden aan de ene kant van de onderzeeër binnenkomen en aan de andere kant verlaten, zegt hij. De entry- en exitpunten worden gemeten en zo kan de richting van het muon vrij nauwkeurig worden gereconstrueerd.
Maar er is ook een andere manier om neutrino's te detecteren: zoek naar de Cerenkov-lichtstraling die wordt geproduceerd door snel bewegende muonen in zeewater. Dat is slim, want daarmee kun je een detector maken met afmetingen die ongeveer even groot zijn als de afstand die licht in zeewater aflegt, zo'n vier kilometer. Natuurlijk is er geen gebrek aan ruis van bioluminescentie, zonlicht en maanlicht, maar Huber lijkt er zeker van te zijn dat dat allemaal kan worden weggefilterd.
Het komt erop neer dat submariners deze technologie ooit zouden kunnen gebruiken om berichten te ontvangen met datasnelheden tot 100 bits per seconde.
Er is natuurlijk één nadeel. Op deze manier is het alleen mogelijk om berichten in een onderzeeër te ontvangen, niet om ze te verzenden. Dat is niet iets waar tv-kijkers zich veel zorgen over hebben gemaakt. Maar commandanten van nucleaire onderzeeërs hebben misschien een andere mening.
Referentie: arxiv.org/abs/0909.4554 : Onderzeese neutrinocommunicatie