中微子潜艇通信新技术研究*

杨少华 黄麟舒

(1.92665部队 张家界 427000)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



中微子潜艇通信新技术研究*

杨少华1黄麟舒2

(1.92665部队 张家界 427000)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

讨论了中微子束的产生、传输以及探测的机理。运用高能物理理论分析中微子束的偏转以及探测事件的概率。讨论了在潜艇通信中使用中微子的可能性。分析结果表明,中微子通信表现出在深水通信方面的独特优势,而中微子的检测是目前面临的关键技术。

中微子通信; 潜艇通信; 契伦可夫探测器

Class Number TN91

1 引言

潜艇通信使用中微子的前景广阔。其基本思想是基于海军当前的潜艇通信系统,特别是超低频无线电通信;主要区别是利用中微子代替无线电波。超低频无线电通信能将单向的命令能被发送给在某个深度工作的潜艇,发射频率很低;比较早期使用更高的甚低频频段的无线电波的系统来说这是一个巨大的进步。更低频率的电磁波能更好地穿过海水,潜艇的工作深度和信息所能达到的深度中存在一个重叠区域。换句话说,潜艇无须为了接收信息而上浮到水面。但是这种方式传输信息的速率和数据量受到很大限制,往往在深水中受限[1]。

近年科学家发现了中微子,若这种粒子用于通信中将具有独特的优点。中微子极少受周围物质的影响,一道中微子束能直接从发射地点穿过地球直达潜艇;直接传输的粒子束允许机密信息传输而只到达预期的接收机内。中微子通信也可以抗阻塞式干扰。而且中微子信息能在很深的水下接收,使得潜艇不容易被对方攻击,这是它的另一个优势[2～3]。这里就中微子的产生、传输和接收机理,及该过程中的事件发生频率、质子粒子束偏转等问题进行讨论。

2 产生

中微子流是由加速器产生,与现在的加速器中微子实验中使用的方法相似,将通过介子衰落产生中微子。用一个物体碰撞介子束产生正介子π+。因为介子是带电的,能通过使用磁场来聚集。场由称为磁场喇叭的设备产生。喇叭是两个由电导率材料制作的同轴桶,采用大约为200kA的大电流;它们在两个桶之间的区域产生一个环形的磁场。介子将被聚集成一个高度平行的粒子流。然后它们将衰变为μ介子和一个μ介子中微子,并且μ介子依次衰变为正电子,中微子和反中微子[4～10]。

π+→μ++υμ

(1)

μ+→e++υμ+υs

(2)

最后的结果是大部分的μ介子中微子形成方向性很强的粒子束。能迅速打开或关掉粒子束;这个特性能应用于调制。这将能使之产生莫尔斯码,即二进制码。

3 长距离传输的中微子实验

不同于水下通信,中微子束在地球上传输长距离的概念早已形成。长距离的中微子实验,比如K2K和MINOS实验,为了研究中微子,尤其是为了加深对中微子振荡的理解,正使用加速器产生的粒子束。一个简单和受控制的中微子源,放置在离探测器固定距离的地点,将有可能对中微子振荡参数进行更加精确地测量。

K2K是日本学者做的实验,表示“从KEK到Kamiokande”,分别是加速器和检测器放置的地点。KEK是一个12GeV(千兆电子伏特)的质子同步加速器。如前所述,中微子束是由介子衰落产生的,介子衰落管道有200m长,生成的中微子的平均能量是1.3GeV[4]。

Kamiokande探测器是液体闪烁探测器。契伦可夫探测器,最初是为观测质子衰落而建造的。后来发现大气中只有少量不足的中微子的问题,可以用中微子振荡来解释。Kamiokande已经开始了一项新的任务:是产生于加速器的中微子的探测器。其探测范围是22千吨。

另一个有趣的长距离的实验是MINOS(主发射器中微子振荡研究)。它基线长731km,从Fermilab直到位于Minnesota北部的Soudan矿井。在Minos中,介子衰落区域为675m长。MINOS的特征主要是一个可调整的磁的喇叭形的系统,它能选择三个不同的中微子能量范围:3Gev,6Gev和15GeV。如果了解MINOS的5.4千吨探测器事件的发生比率,就可知探测到中微子是富有挑战性,就15GeV中微子而言,充电的电流事件速率是每年发生10000次事件,6GeV的是5000次/年,3GeV的是700次/年。还有比较闻名的实验是ANTARES合作实验室的中微子实验,如图1所示。

图1 ANTARES合作实验室的水下中微子探测阵列的示意图

4 接收

探测信息要通过“契伦可夫”辐射完成,并且探测时的介质是船只周围的海水。如图2所示,潜艇配备光电倍增器管阵列。用目标容器中的核子去碰撞中微子而产生契伦可夫光线,光电倍增器管将提取这些契伦可夫光线;碰撞中产生的一对电子以超过介质中光速的速度穿越海水。

图2 充电的介子-中微子相互作用的探测方法的示意图

海水的透明度在可见光的蓝色光波长处达到最大值。离辐射源一定距离处能检测到契伦可夫光[11]。潜艇要接收,就是在潜艇外拖曳一根缆绳,其上装有体积很小的球状光电管若干个,形成光电管阵列,附着在电缆上。中微子到达海水中,打到质子上,从而辐射出一定频率、能量的 “契伦可夫光”,光电管能接收到以电缆为轴线、以一定长度为半径的这样一个圆柱形状的范围内的“契伦可夫光”

由于中微子很小,质量很轻,要检测到足够的“契伦可夫光”,必须增大光电管的布设范围,即形成较大的光电管阵列。因此,探测容器的尺寸需要设计得较大。

5 事件发生频率

事件的总数可从式(3)得到:N=(n)(σ)(I)

(3)

式中,n是目标容器中的目标核子的数目;σ是粒子束粒子的方差;I是粒子束的密度(流量/面积)。

粒子束的发散性、发射器和潜艇之间的距离会影响密度。为简化问题,此研究的计算中使用的距离数是5000km。

粒子束的发散性由介子动量确定。介子有纵向和横向分量。无论纵向分量的数量级多大,介子的横向分量总是约为0.5GeV。粒子束发散角度如下:

(4)

式中,pt是介子的横向动量,p1是介子的纵向动量。介子的总动量越大,粒子束的发散性越窄。对于50GeV纵向动量的介子而言,在离源5000km的地方,粒子束发散成半径为158km的粒子束。对于100GeV纵向动量的介子而言,发散半径仅仅约79km。

从上容易看出,如果要增大每秒探测到一个事件的概率,则需要粒子束达到较大电流流量。

6 结语

最初,中微子通信被认为十分有吸引力,甚至可能成为无线电波的代替物。然而,正是中微子比电磁波优越之所在,可能导致它的失败。中微子极难与物质发生作用,尽管这使得与潜艇的通信能够穿越地球和大洋中的极深处,但是,接收信息的难度将是关键技术问题。仅考虑密度很大、足以可靠传输信息的粒子束的产生,就是一个几乎不可能实现的任务。还存在其他的问题。将质子束偏转需要磁场,而且要偏转某个特定的角度;在各个方向上对准光束,要求以一定方式回转整个加速器设备。即使可能的话,若没有新的技术变革,要实现上述内容也将非常困难。光电管阵列将产生相对小的实际应用问题。虽然在潜艇后拖一个长长的附加物并不会剧烈降低船的航速或增加能量消耗,但是光电管的电子活动将很容易被发现。因此,即使光电管阵列在等待发送的信息时,也需要被屏蔽。如果潜艇为了接收信息而不得不上浮到水面,那么相比目前情形并无明显的提高和改进。

由以上研究可知,目前,中微子作为一种通信手段离实际工程尚远,如果在中微子的产生、传输和检测的多个环节都发生技术性革命,才能使得这种新颖的通信方式有实用意义。

[1] 梁高权.甚低频和超低频通信[M].北京:海潮出版社,2000.

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

[3] Stancil D D, Adamson P, Alania M, et al. Demonstration of communication using neutrinos[J]. Modern Physics Letters A,2012,27(12).

[4] KEK to Long Baseline Experiment. Http://hep.bu.edu/superk,1999.

[5] Volkov D V, Akulov V P. Is the neutrino a Goldstone particle?[J]. Physics Letters B,1973,46(1):109-110.

[6] Wolfenstein L. Neutrino oscillations in matter[J]. Physical Review D,1978,17(9):2369.

[7] Mohapatra R N,G. Neutrino mass and spontaneous parity nonconservation[J]. Physical Review Letters,1980,44(14):912.

[8] 焦善庆,龚自正,许弟余,等.中微子结构及其结构函数[J].吉首大学学报(自然科学版),2005,26(1):15-18.

[9] 倪光炯.中微子质量,宇称不守恒,中微子振荡及其他[J].物理,2002,31(4):255-256.

[11] 谢慧,高俊,柳超,等.中微子对潜艇通信研究[J].仪器仪表学报,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

杨少华,男,工程师,研究方向:通信新技术。黄麟舒,女,博士,讲师,研究方向:信息系统和技术。

TN91

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.017