Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 45 (vyšlo 20. listopadu, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Neutrinová komunikace

Petr Kulhánek

Neutrina by mohla být ideálním prostředkem pro komunikaci. Procházejí bez problémů látkou, většinu z nich nezastaví ani tisíce světelných roků olova a neutrinovou zprávu je možné přijmout i na druhém konci viditelného vesmíru. Můžeme začít ale tady u nás na Zemi, kde by se neutrinová komunikace hodila armádě pro vydávání povelů ponorkám, obchodníkům pro komunikaci napříč Zemí či astronomům pro posílání zpráv základně na odvrácené straně Měsíce. Pojďme si tuto technologii vysvětlit podrobněji.

Interakce neutrina s vodním prostředím

Interakce neutrina s vodním prostředím. Po nárazu do jádra kyslíků vylétá elektron, jehož rychlost je vyšší než rychlost světla ve vodě. Táhne za sebou kužel Čerenkovova zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí., které lze snadno detekovat. Zdroj: NSF.

Neutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.

Neutrino elektronové – částice patřící mezi leptony, vzniká spolu s pozitronem při slabých rozpadech. Jde o částici velmi malé hmotnosti, která interaguje s hmotou jen slabou interakcí, snadno proto hmotou proniká. Jeho existenci předpověděl W. Pauli v roce 1930 na základě analýzy beta rozpadu. Název neutrino mu dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (v italštině znamená neutrino malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolíně (Frederick Reines, Clyde Cowan).

Neutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988.

Neutrino tauonové – doprovází tauon (supertěžký elektron) při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT (Do Nu Tau). Z objevitelského týmu jmenujme alespoň Phillipa Marvina Yagera a Vittorio Paoloneho.

Napříč vesmírem

K neutrinové komunikaci potřebujeme nejprve dosti intenzivní zdroj neutrin. Tím jsou jaderné reaktory nebo výbuchy atomových bomb. Pokud chceme směrovaný zdroj, neznáme zatím jiný způsob, než výkonný částicový urychlovač. Urychlené částice, například protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem., jsou namířeny do útlumového členu, kde z nich vznikají pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků ud.kaonyKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. a ty se poté rozpadají na neutrina. Nabité protony, piony i kaony lze směrovat magnetickým polem tak, aby vznikající neutrina tvořila svazek putující určitým směrem. Zdroj bychom tedy měli. Jak do něj ale zapsat zprávu? Naše technologie zatím umožňují jen zprávu zakódovat do časového průběhu svazku neutrin. Svazek se může skládat z pravidelných oddělených shluků neutrin a přítomnost či nepřítomnost takového shluku bude znamenat logickou jedničku či nulu. Trošku to připomíná počátky elektromagnetické komunikace, kdy se zprávy kódovaly Morseovou abecedou. Kontinuální svazek neutrin neumíme tak jako tak v současné době vyrobit, protože protony zahřívají útlumový člen a ve vysílání musí být přestávky potřebné k jeho chlazení. Neutrinový svazek nese informaci, která by měla být někde přijata, tedy k neutrinové komunikaci potřebujeme také vhodný přijímač. Tím nemůže být nic jiného než detektor neutrin. Současné detektory jsou velmi objemná zařízení. Na druhou stranu interakční schopnosti neutrina s látkou rostou do sta teraelektronvoltůElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. lineárně s jejich energií, nad sto teraelektronvoltů už pak jen logaritmicky. Čím energetičtější neutrina pro komunikaci použijeme, tím snáze budou interagovat s látkou a tím menší detektor pro přijetí zprávy postačí.

Základní princip neutrinové komunikace

Základní princip neutrinové komunikace

Hlavní injektor – zdroj protonů v prvním experimentu s neutrinovou komunikací

Hlavní injektor – zdroj protonů v prvním experimentu s neutrinovou komunikací.
Zdroj: Fermilab.

Oscilace neutrin nemusí být při komunikaci na závadu. Buď budeme přijímat více druhů neutrin, nebo komunikace probíhá v podmínkách, kdy oscilace nemusí být vůbec podstatné. Například při prvních experimentech s neutrinovou komunikací byly k vytvoření neutrin použity protony o energii 120 GeV z hlavního injektoru bývalého TevatronuTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v  prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011.. U vzniklých neutrin je oscilační vzdálenost kolem 80 000 kilometrů, což pro komunikaci v rámci naší planety není překážkou.

Velkým problémem je komunikace s ponorkou pod hladinou oceánu. Vodní masa znemožňuje posílat zprávy prostřednictvím elektromagnetických vln. Mnohdy by stačilo ponorce předat jen jednoduchý povel typu ano/ne či číslo určující operaci, kterou má provést. Taková zpráva může být snadno namodulovaná do neutrinového svazku, který k ponorce přiletí i nitrem Země od protinožců. A detekce? Okolní oceán může sloužit jako ideální vodní detektor a vzniklé Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. mohou přijímat fotonásobičeFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. umístěné na povrchu ponorky. Její trup by se tak sám o sobě stal dostatečně velkým neutrinovým detektorem. Samozřejmě by šlo pouze o jednostrannou komunikaci – pouhé přijetí povelu k akci.

Dnes jen malá část populace vytváří nějaké hodnoty. Zbytek se pasuje do role nejrůznějších manažerů, překupníků, prodejců, politiků, zlodějů a dalších podivných existencí. V dnešním elektronickém světě je pro obchodníka rozhodnutí, zda prodat či nakoupit, otázkou velmi krátkého času. Několik ztracených milisekund může znamenat promarněný obchod za miliardy. Současná komunikace probíhá po optických vláknech, jimiž se signál šíří rychlostí zhruba 2/3 rychlosti světla nebo bezdrátově přes různé retranslační družice a mezistanice. Rozhodně nejde o přímočarou komunikaci. Přímá neutrinová komunikace nitrem Země například mezi Spojenými státy a Austrálií by obchodníkům dala k dispozici tolik času navíc, že by ti, kteří by byli vybaveni neutrinovou technologií, mohli uzavírat bezkonkurenčně lepší obchody.

Wall Street

Wall Street. Budou obchodníci nastupujících generací skupovat částicové
urychlovače? Ani to není vyloučené. Zdroj: MVS Noticias.

Neutrinová komunikace by byla velmi výhodná i v rámci Sluneční soustavy. Povely vysílané na základnu na odvrácené straně Měsíce či Marsu by nepotřebovaly žádné pomocné družice, které signál zpracovávají a posílají dál.

Posledních několik desítek let je velmi módní hledání mimozemských civilizací. Různé programy se snaží zachytit jejich signál, jiné naopak vysílají signály ze Země – něco ve stylu: „Tady jsme, přijďte si pro nás!“. Těžko odhadnout, nakolik jsou takové snahy jen naivní a nakolik vypočítavé. Podobné rádoby projekty totiž přitahují peníze a ty lze pak využít i na smysluplný výzkum. Navíc mělo hledání mimozemských civilizací i jeden pozitivní dopad. V roce 1999 odborníci z Kalifornské univerzity v BerekeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. spustili program SETI@home (Search for Extra-Terestrial Intelligence at home, vyhledávání mimozemských civilizací doma). Na milionech počítačů různých uživatelů se v době, kdy počítač nepoužívali, rozběhl program provádějící analýzu dat z hledání mimozemských civilizací. Šlo první distribuovaný výpočet tohoto druhu, který se později začal využívat i v jiných důležitějších oblastech lidské činnosti.

Pokud by byla mimozemská civilizace skutečně inteligentní, sotva bude posílat vzkazy v elektromagnetickém spektru. Elektromagnetické vlny jsou spolehlivě zachyceny jakoukoli mezilehlou galaxií a při komunikaci v rámci naší Galaxie jsou silně absorbovány a pozměňovány všudypřítomným plynem a prachem. Nic takového pro neutrina neplatí, a pokud máme v současnosti prostředky pro omezenou neutrinovou komunikaci my, budou je mít vyspělé civilizace samozřejmě také. Hledání stop jiných civilizací by tedy mělo být spíše doménou neutrinové fyziky než úsměvných rádiových experimentů. Pro galaktickou komunikaci se jeví velmi výhodná tzv. Glashowova rezonance. Pokud má elektronové antineutrino energii 6,3 PeV (6,3×1015 eV), relativně ochotně interaguje s obyčejnými elektrony, kterých je ve vesmíru všude dostatek. Při této interakci vzniká polní částice slabé interakce W, která se následně rozpadá na charakteristickou spršku dalších částic. Civilizace hledající jiné inteligentní bytosti by zjistila, že v určitém směru vidí tyto nezaměnitelné spršky částice W a že je tedy z tohoto směru vysílán nějaký signál. Spršky byly samozřejmě vytvořeny zcela zanedbatelnou částí neutrin přilétajících z daného směru. Příslušný detektor by byl extrémně jednoduchý, šlo by o rezonanční detektor, který by využíval ochotu elektronových antineutrin spojovat se s elektrony, a my bychom detekovali následné W spršky. Ve vesmíru, pokud víme, není žádný přirozený zdroj elektronových antineutrin s energií 6,3 PeV, takže by příjemcům bylo na první pohled jasné, že jde o umělý signál. Naše civilizace zatím nedisponuje takovými technickými prostředky, aby vytvořila svazek antineutrin s energií 6,3 PeV. Přijetí takového signálu je ale jen otázkou peněz a priorit, na jaké účely půjdou.

První experiment

První experiment s neutrinovou komunikací proběhl už v roce 2012 a popisovali jsme ho v AB 2/2013. Jako zdroj protonů byl použit hlavní injektor Kalifornské univerzity v BerekeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. Tevatronu uzavřeného v roce 2011. Protonové impulzy obsahující 2,25×1013 protonů vytvořily neutrinový svazek, který přenesl zakódované slovo „neutrino“ do detektoru MINERvA. Experiment s první neutrinovou komunikací uskutečnil tým vědců pod vedením Daniela Stancila ze Státní univerzity v Severní Karolíně. Vědcům se podařilo zakódovat, neutriny přenést na vzdálenost jednoho kilometru a posléze rozkódovat slovo „neutrino“. Chybovost přenosu díky opakování nepřesáhla jedno procento. Každý ajťák by nad tímto experimentem ohrnul nos, protože bylo dosaženo přenosové rychlosti pouze 0,1 bitu za sekundu. Přenesení jednoho znaku 0/1 trvalo deset sekund, přenesení jednoho písmene abecedy 80 sekund a přenesení slova neutrino 10 minut. My ale víme, že v tomto přelomovém experimentu nešlo kvantitu, ale o kvalitu. V roce 2012 se poprvé lidstvu podařilo přenést informaci pomocí neutrin. A tento krok přenesl úvahy o neutrinové komunikaci z říše snů do světa aktuálních možností současné neutrinové fyziky.

Schéma prvního experimentu s neutrinovou komunikací

Schéma prvního experimentu s neutrinovou komunikací. Zdroj: Fermilab.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage