Truyền thông dưới nước và xuyên lòng đất dùng neutrino

Đăng lúc: Thứ bảy - 05/03/2016 14:56 - Người đăng bài viết: SuperG
Neutrino

Neutrino

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa đạt được sự truyền thông tin đầu tiên bằng một chùm neutrino. Minh chứng mang tính rất sơ bộ – nó hoạt động chưa tới 1 bit/s – và sẽ cần rất nhiều phát triển trước khi nó có bất kì ứng dụng thực tế nào.

Tuy nhiên, nghiên cứu chứng minh cho một khái niệm mà các nhà vật lí đã suy ngẫm trong nhiều năm qua và cuối cùng có thể dùng trong những tình huống trong đó những phương tiện truyền thông khác không triển khai được.

Bức xạ điện từ – nhất là những bước sóng nhìn thấy, vi sóng và vô tuyến – là sóng mang được chọn để truyền nhận thông tin hiện nay. Nó dễ truyền đi, dễ phát hiện và có thể mang rất nhiều thông tin. Tuy nhiên, có một số tình huống trong đó nó không hoạt động tốt cho lắm. Một ví dụ là sự truyền thông tin đến các tàu ngầm hạt nhân, đối tượng có thể ở dưới nước hầu như vô hạn định. Vấn đề là nước biển không trong suốt đối với bức xạ điện từ ở những bước sóng đủ ngắn để truyền thông tin ở một tốc độ có ích. Vì thế, các tàu ngầm thường phải có một dây anten nổi lên trên mặt nước, làm hạn chế tốc độ và độ sâu của chúng, khiến chúng dễ bị phát hiện ra hơn.

[IMG]

Máy dò hạt MINERvA tại Fermilab là thiết bị đầu tiên nhận được một tin nhắn truyền đi bởi các neutrino. Ảnh: Fermilab

Một giải pháp ma quái
Để truyền thông tin qua mọi chất liệu, kể cả nước biển, mà không bị ràng buộc, không gì có thể sánh với neutrino. Hạt ma quái này chỉ bị ảnh hưởng bởi lực hạt nhân yếu và lực hấp dẫn, nhưng rất yếu. Hệ quả là nó có thể truyền qua hầu như mọi thứ và hầu như chẳng tương tác với cái gì hết. Một neutrino có thể dễ dàng đi xuyên qua 1000 năm ánh sáng chì, cho nên một đại dương đối với nó chẳng là vấn đề gì. Thật vậy, một số nhà khoa học từng đề xuất rằng những nền văn minh tiên tiến ngoài địa cầu có thể truyền thông tin xuyên những khoảng cách bao la trong không gian bằng cách sử dụng những chùm neutrino.

Mặc dù các hệ thống gốc neutrino đã được đề xuất trên Trái đất này kể từ thập niên 1970, nhưng chúng đều gặp phải một trở ngại giống nhau: làm thế nào phát hiện các neutrino tại đầu nhận khi mà phần lớn những hạt này sẽ đi thẳng qua bất kì máy dò hạt nào. Để phát hiện đủ số neutrino để truyền nhận thông tin ở một tốc độ hợp lí, hoặc là cần có một nguồn phát neutrino cực mạnh hoặc là một máy dò neutrino rất lớn (hoặc cả hai). Ví dụ, vào năm 2009, Patrick Huber ở trường Đại học Công nghệ Virginia đã đi tới quan điểm sử dụng vỏ bọc của tàu ngầm hạt nhân để phát hiện ra bức xạ giải phóng khi các neutrino tương tác với nước biển xung quanh. Tuy nhiên, Huber thừa nhận rằng một kế hoạch đòi hỏi một nguồn phát neutrino mạnh như thế sẽ tiêu tốn vài tỉ đô la đầu tư xây dựng.

Trong khi đó, Daninel Stancil tại trường Đại học Bắc Carolina đang suy nghĩ làm thế nào xây dựng một kế hoạch truyền thông giống như vậy dựa trên các axion – những hạt tương tác yếu trên giả thuyết có thể bao gồm vật chất tối. Trong khi hiện nay chẳng có nguồn axion, nhưng cựu học trò của Stancil tại trường Đại học Carnegie Mellon cho biết rằng quan điểm trên có thể kiểm tra tại Fermilab bằng cách sử dụng chùm neutrino NuMI và máy dò hạt MINERvA. NuMI tạo ra chùm neutrino năng lượng cao cường độ mạnh nhất thế giới, rồi nó truyền đi 1 km đến MINERvA. Mục đích chính của đường dẫn hạt MINERvA–NuMI là để nghiên cứu chính các neutrino, nhưng quan điểm của Downey là sử dụng thí nghiệm trên là một hệ thống truyền nhận dữ liệu.

Mã hóa “neutrino” với neutrino
Stancil mang đề xuất trên đến Fermilab và, sau khi được chấp thuận, các nhà nghiên cứu đã má hóa từ “neutrino” thành mã nhị phân. Sau đó, họ điều biến mã này với chùm neutrino với tốc độ bit 0,1 bit/s. Tin nhắn được nhận với tỉ lệ sai số bit chỉ 1%, cho phép tin nhắn được giải mã dễ dàng sau một lần truyền. Tuy nhiên, với khoảng cách truyền tin ngắn như thế, tốc độ truyền dữ liệu thấp như thế và công nghệ đồ sộ cần thiết để đạt tới nó (bản thân MINERvA nặng tới vài tấn), neutrino rõ ràng không phải là phương pháp truyền thông có giá trị tương thời gian ngắn trước mắt.

Tuy nhiên, Huber cảm thấy phấn chấn trước nghiên cứu trên. “Tôi nghĩ đặc điểm quan trọng nhất của nghiên cứu này là nó khiến người ta muốn bắt tay vào thực hiện nó,” ông nói.

--------------

Việc truyền tải thông tin với tàu ngầm hạt nhân – đối tượng có thể ở dưới nước về cơ bản là bao lâu cũng được – là một thách thức lớn vì nước biển là không trong suốt đối với phần lớn phổ điện từ. Trước đây người ta đã từng đề xuất sử dụng neutrino là giải pháp cho bài toán này, vì những hạt hạ nguyên tử này dễ dàng đi xuyên qua mọi vật chất, nhưng vấn đề là người ta không có khả năng tạo ra những chùm neutrino có cường độ vừa đủ. Tuy nhiên, một nhà vật lí ở Mĩ hiện nay vừa tính toán được rằng những chùm tia cực mạnh của xưởng neutrino sẽ làm được công việc đó.

 

Tính toán sự phân bố toàn cầu của dung lượng thông tin có thể thu được đối với một chùm neutrino phát ra tại Fermilab, ở gần Chicago. Tính toán trên giả sử tàu ngầm đang sử dụng kế hoạch dò tìm bức xạ Cerenkov trong hàng giờ liền hoặc trong bóng đêm.

Những con tàu ngầm hạt nhân có thể ở dưới mặt biển hàng tháng trời trong mỗi chuyến đi và chỉ cần ngoi lên mặt nước để nhận cung cấp lương thực hoặc bảo dưỡng máy móc. Tuy nhiên, sự di chuyển của tàu ngầm bị hạn chế bởi nhu cầu nhận tin điều hành hoạt động của chúng. Nước biển chỉ là trong suốt đối với một phần nhìn thấy của phổ điện từ (các bước sóng lam và lục) và ở những tần số dưới khoảng 100 Hz. Sử dụng laser khả kiến là không thực tế và truyền sóng vô tuyến tần số thấp mang lại tốc độ dữ liệu cực kì thấp – khoảng một bit mỗi phút. Kết quả là tàu ngầm hạt nhân hiện nay truyền tin tức bằng cách thả nổi một dây ănten lên gần mặt biển. Trong khi phương thức này mang lại tốc độ dữ liệu khoảng 50 bit mỗi giây, thì nó lại hạn chế độ sâu và tốc độ hoạt động của con tàu.

Gởi xuyên qua Trái đất

Patrick Huber ở Viện Công nghệ Virginia tin rằng những trở ngại này có thể khắc phục bằng cách sử dụng neutrino.Vì neutrino tương tác cực kì yếu với những đối tượng vật chất khác, nên một chùm hạt như thế có thể gởi xuyên qua Trái đất với sự thất thoát cường độ rất ít. Cho nên một con tàu ngầm trên nguyên tắc có thể nhận thông tin đã mã hóa trong một chùm neutrino gởi đi từ bất cứ nơi nào trên hành tinh bằng cách dò tìm neutrino đi tới con tàu từ phía dưới lên.

Thật không may, các neutrino tương tác rất yếu với vật chất và, do đó, việc tạo ra một tín hiệu có thể đo được đòi hỏi một chùm cường độ rất mạnh. Hiện nay có một số thí nghiệm trên khắp thế giới nhắm tới sự truyền và phát hiện ra các chùm neutrino để đo cách thức neutrino “dao động” khi chúng truyền trong vũ trụ, một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành vật lí cơ sở. Nhưng những thiết bị ấy không thích hợp cho việc tiến hành truyền thông đường dài. Ví dụ, một chùm hạt gởi đi từ Fermilab ở ngoại ô Chicago đến một mỏ quặng cách xa 700 km ở Minnesota trung bình sẽ mang lại chỉ một neutrino được ghi nhận trong máy dò trong mỗi 12 giờ. Như Huber chỉ rõ, tỉ lệ này cần cải thiện thêm một triệu lần nếu neutrino được dùng để gởi đi tin nhắn.

Tuy nhiên, Huber còn chỉ ra một nguồn phát neutrino mới mà các nhà vật lí hi vọng xây dựng được trong vòng thập kỉ tới – một xưởng neutrino – sẽ mang lại những cường độ đủ mạnh. Một xưởng neutrino sẽ hoạt động bằng cách cho đâm sầm các hạt proton năng lượng cao vào bia thủy ngân lỏng, với các va chạm tạo ra pion, chúng phân hủy thành muon, rồi tiếp tục phân hủy thành muon neutrino.

Dò tìm bức xạ Cerenkov

Huber tính được rằng dữ liệu mã hóa dưới dạng những chùm neutrino như thế có thể ghi nhận bởi các detector phủ bên ngoài vỏ tàu ngầm ở tốc độ khoảng 1 đến 100 bit mỗi giây. Những detector này hoặc là sẽ nhận ra các muon sinh ra khi muon neutrino tương tác với nước, hoặc, gián tiếp hơn, đo lường bức xạ Cerenkov sinh ra bởi sự đi qua các muon ấy trong nước. Dữ liệu sẽ được mã hóa bằng cách chia nhỏ thời gian thành nhiều khắc khác nhau, rồi sau đó gởi đi một xung neutrino trong vòng một khắc đặc biệt, cho nên một giây chia thành 16.000 khắc, chẳng hạn, sẽ tương đương với việc truyền một kí tự trong số một bảng chữ cái 16.000 kí tự hay 14 bit (214).

Xưởng neutrino sẽ không rẻ tiền – nó sẽ tiêu tốn chừng vài tỉ đô la. Và theo Huber, việc làm cho nó tương thích cho truyền thông có thể sẽ làm tăng gấp đôi giá thành này; rồi còn chi phí tăng thêm của việc chế tạo một thiết bị có thể quay được sao cho nó có thể hướng tới bất cứ nơi nào tàu ngầm đang có mặt. Nhưng Huber tin rằng chi phí nên xem xét trong ngữ cảnh tiền chi cho tàu ngầm hạt nhân của nước Mĩ, với 14 chiếc hiện nay, tính luôn tên lửa đạn đạo, tiêu tốn đến 150 tỉ đô la. “Có nhiều thứ tôi không nghĩ chính phủ lại chi một số tiền lớn như thế”, ông bổ sung thêm. “Vì thế, tôi không trông đợi có ai đó thật sự xây dựng một hệ thống như vậy. Nhưng tôi sẽ không ngạc nhiên nếu một ai đó muốn nghiên cứu thêm về nó”.

Công trình trên được mô tả trên arXiv.

Theo physicsworld.com

Từ khóa:

n/a

Đánh giá bài viết
Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá
Click để đánh giá bài viết
 

Quy trình xử lý

Hướng dẫn quý khách hàng tìm hiểu làm quen với cách sử dụng sản phẩm và dịch vụ trong lĩnh vực Robot gia dụng chúng tôi cung cấp. Đặt vấn đề: Khách hàng liên hệ qua Email hoặc Điện thoại, ghi chú nội dung liên hệ và thông tin yêu cầu sản phẩm dịch vụ sơ bộ. Xử lý thông tin: Chúng tôi sẽ trực...

Thăm dò ý kiến

Bạn có muốn sở hữu một Robot trong nhà không?

Cần một Robot để dọn dẹp

Cần một Robot trông nhà

Cần một Robot để giải trí

Bạn cần một Robot theo cách khác

Bạn đã có rồi

Bạn không cần

Liên kết