中微子潛艇通信新技術研究*

楊少華 黃麟舒

(1.92665部隊 張家界 427000)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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中微子潛艇通信新技術研究*

楊少華1黃麟舒2

(1.92665部隊 張家界 427000)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

討論了中微子束的產生、傳輸以及探測的機理。運用高能物理理論分析中微子束的偏轉以及探測事件的概率。討論了在潛艇通信中使用中微子的可能性。分析結果表明,中微子通信表現出在深水通信方面的獨特優勢,而中微子的檢測是目前面臨的關鍵技術。

中微子通信; 潛艇通信; 契倫可夫探測器

Class Number TN91

1 引言

潛艇通信使用中微子的前景廣闊。其基本思想是基于海軍當前的潛艇通信系統,特別是超低頻無線電通信;主要區別是利用中微子代替無線電波。超低頻無線電通信能將單向的命令能被發送給在某個深度工作的潛艇,發射頻率很低;比較早期使用更高的甚低頻頻段的無線電波的系統來說這是一個巨大的進步。更低頻率的電磁波能更好地穿過海水,潛艇的工作深度和信息所能達到的深度中存在一個重疊區域。換句話說,潛艇無須為了接收信息而上浮到水面。但是這種方式傳輸信息的速率和數據量受到很大限制,往往在深水中受限[1]。

近年科學家發現了中微子,若這種粒子用于通信中將具有獨特的優點。中微子極少受周圍物質的影響,一道中微子束能直接從發射地點穿過地球直達潛艇;直接傳輸的粒子束允許機密信息傳輸而只到達預期的接收機內。中微子通信也可以抗阻塞式干擾。而且中微子信息能在很深的水下接收,使得潛艇不容易被對方攻擊,這是它的另一個優勢[2～3]。這里就中微子的產生、傳輸和接收機理,及該過程中的事件發生頻率、質子粒子束偏轉等問題進行討論。

2 產生

中微子流是由加速器產生,與現在的加速器中微子實驗中使用的方法相似,將通過介子衰落產生中微子。用一個物體碰撞介子束產生正介子π+。因為介子是帶電的,能通過使用磁場來聚集。場由稱為磁場喇叭的設備產生。喇叭是兩個由電導率材料制作的同軸桶,采用大約為200kA的大電流;它們在兩個桶之間的區域產生一個環形的磁場。介子將被聚集成一個高度平行的粒子流。然后它們將衰變為μ介子和一個μ介子中微子,并且μ介子依次衰變為正電子,中微子和反中微子[4～10]。

π+→μ++υμ

(1)

μ+→e++υμ+υs

(2)

最后的結果是大部分的μ介子中微子形成方向性很強的粒子束。能迅速打開或關掉粒子束;這個特性能應用于調制。這將能使之產生莫爾斯碼,即二進制碼。

3 長距離傳輸的中微子實驗

不同于水下通信,中微子束在地球上傳輸長距離的概念早已形成。長距離的中微子實驗,比如K2K和MINOS實驗,為了研究中微子,尤其是為了加深對中微子振蕩的理解,正使用加速器產生的粒子束。一個簡單和受控制的中微子源,放置在離探測器固定距離的地點,將有可能對中微子振蕩參數進行更加精確地測量。

K2K是日本學者做的實驗,表示“從KEK到Kamiokande”,分別是加速器和檢測器放置的地點。KEK是一個12GeV(千兆電子伏特)的質子同步加速器。如前所述,中微子束是由介子衰落產生的,介子衰落管道有200m長,生成的中微子的平均能量是1.3GeV[4]。

Kamiokande探測器是液體閃爍探測器。契倫可夫探測器,最初是為觀測質子衰落而建造的。后來發現大氣中只有少量不足的中微子的問題,可以用中微子振蕩來解釋。Kamiokande已經開始了一項新的任務:是產生于加速器的中微子的探測器。其探測范圍是22千噸。

另一個有趣的長距離的實驗是MINOS(主發射器中微子振蕩研究)。它基線長731km,從Fermilab直到位于Minnesota北部的Soudan礦井。在Minos中,介子衰落區域為675m長。MINOS的特征主要是一個可調整的磁的喇叭形的系統,它能選擇三個不同的中微子能量范圍:3Gev,6Gev和15GeV。如果了解MINOS的5.4千噸探測器事件的發生比率,就可知探測到中微子是富有挑戰性,就15GeV中微子而言,充電的電流事件速率是每年發生10000次事件,6GeV的是5000次/年,3GeV的是700次/年。還有比較聞名的實驗是ANTARES合作實驗室的中微子實驗,如圖1所示。

圖1 ANTARES合作實驗室的水下中微子探測陣列的示意圖

4 接收

探測信息要通過“契倫可夫”輻射完成,并且探測時的介質是船只周圍的海水。如圖2所示,潛艇配備光電倍增器管陣列。用目標容器中的核子去碰撞中微子而產生契倫可夫光線,光電倍增器管將提取這些契倫可夫光線;碰撞中產生的一對電子以超過介質中光速的速度穿越海水。

圖2 充電的介子-中微子相互作用的探測方法的示意圖

海水的透明度在可見光的藍色光波長處達到最大值。離輻射源一定距離處能檢測到契倫可夫光[11]。潛艇要接收,就是在潛艇外拖曳一根纜繩,其上裝有體積很小的球狀光電管若干個,形成光電管陣列,附著在電纜上。中微子到達海水中,打到質子上,從而輻射出一定頻率、能量的 “契倫可夫光”,光電管能接收到以電纜為軸線、以一定長度為半徑的這樣一個圓柱形狀的范圍內的“契倫可夫光”

由于中微子很小,質量很輕,要檢測到足夠的“契倫可夫光”,必須增大光電管的布設范圍,即形成較大的光電管陣列。因此,探測容器的尺寸需要設計得較大。

5 事件發生頻率

事件的總數可從式(3)得到:N=(n)(σ)(I)

(3)

式中,n是目標容器中的目標核子的數目;σ是粒子束粒子的方差;I是粒子束的密度(流量/面積)。

粒子束的發散性、發射器和潛艇之間的距離會影響密度。為簡化問題,此研究的計算中使用的距離數是5000km。

粒子束的發散性由介子動量確定。介子有縱向和橫向分量。無論縱向分量的數量級多大,介子的橫向分量總是約為0.5GeV。粒子束發散角度如下:

(4)

式中,pt是介子的橫向動量,p1是介子的縱向動量。介子的總動量越大,粒子束的發散性越窄。對于50GeV縱向動量的介子而言,在離源5000km的地方,粒子束發散成半徑為158km的粒子束。對于100GeV縱向動量的介子而言,發散半徑僅僅約79km。

從上容易看出,如果要增大每秒探測到一個事件的概率,則需要粒子束達到較大電流流量。

6 結語

最初,中微子通信被認為十分有吸引力,甚至可能成為無線電波的代替物。然而,正是中微子比電磁波優越之所在,可能導致它的失敗。中微子極難與物質發生作用,盡管這使得與潛艇的通信能夠穿越地球和大洋中的極深處,但是,接收信息的難度將是關鍵技術問題。僅考慮密度很大、足以可靠傳輸信息的粒子束的產生,就是一個幾乎不可能實現的任務。還存在其他的問題。將質子束偏轉需要磁場,而且要偏轉某個特定的角度;在各個方向上對準光束,要求以一定方式回轉整個加速器設備。即使可能的話,若沒有新的技術變革,要實現上述內容也將非常困難。光電管陣列將產生相對小的實際應用問題。雖然在潛艇后拖一個長長的附加物并不會劇烈降低船的航速或增加能量消耗,但是光電管的電子活動將很容易被發現。因此,即使光電管陣列在等待發送的信息時,也需要被屏蔽。如果潛艇為了接收信息而不得不上浮到水面,那么相比目前情形并無明顯的提高和改進。

由以上研究可知,目前,中微子作為一種通信手段離實際工程尚遠,如果在中微子的產生、傳輸和檢測的多個環節都發生技術性革命,才能使得這種新穎的通信方式有實用意義。

[1] 梁高權.甚低頻和超低頻通信[M].北京:海潮出版社,2000.

[2] Huber P. Submarine neutrino communication[J]. Physics Letters B,2010,692(4):268-271.

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[9] 倪光炯.中微子質量,宇稱不守恒,中微子振蕩及其他[J].物理,2002,31(4):255-256.

[11] 謝慧,高俊,柳超,等.中微子對潛艇通信研究[J].儀器儀表學報,2008(z3):2071-2074.

Neutrinos for Submarine Communications

YANG Shaohua1HUANG Linshu2

(1. No. 92665 Troops of PLA, Zhangjiajie 427000) (2. Electric Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The mechanism of generation, transmission and detection of the neutrino beam are discussed. The neutrino beams deflection and the probability of detection event are analyzed using the high-energy physics theory. The possibility of using submarine neutrino communications is discussed. The results show the unique advantages of neutrino communication in the deep water communications, the detect neutrinos are the key technologies to the method.

neutrino communication, submarine communication, cherenkov detector

2014年11月2日,

2014年12月26日

楊少華,男,工程師,研究方向:通信新技術。黃麟舒,女,博士,講師,研究方向:信息系統和技術。

TN91

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.017