跟踪地下运动的宇宙射线“GPS”系统可能会改变我们响应灾难的方式

By Ben Turner

2023/6/20

Science & Astronomy

一种用在地球的大气层中产生的亚原子粒子的新系统可以提供一个火山内部的视景并帮助定位被困在瓦砾下的人。

艺术家的宇宙射线从太空倾下到地球上的描画。(Image credit: Shutterstock)

     科学家们已经利用宇宙射线的副产品来创造世界上第一个在地下起作用的“GPS”系统，它可被用于监测火山并协助未来的搜救使命。

这种新的名为μ介子度量无线导航系统（MuWNS）的定位系统扫描叫μ介子的幽灵的和超快亚原子粒子来三角测量一个深埋在地下的接收器的位置。

更重要的是，研究人员说该技术能被小型化来适应进诸如智能手机内部。他们于6月15日在《iScience》杂志上发表了他们的研究结果。

第一作者东京大学地球物理学教授田中广之告诉生活科学杂志（Live Science）， “室内导航系统能服务许多实际目的，包括人类运输导航制导系统、为紧急救援确定一名失踪人员的位置和工厂中的自动机器人操作以及通过矿山和地下设施导航，然而，GPS在这些环境中是不可利用的。GPS信号是弱的并容易被一个小障碍物阻挡”。

当宇宙射线------由太阳产生的高能粒子、叫超新星的恒星爆炸和在我们银河系外的秘密源------撞进地球的高层大气层时，它们分解成最终衰变成μ介子粒子的淋浴。它们的结构与电子相似但重量是电子的207倍，每晚大约一百万个μ介子以近光速无害的疾驰过我们的身体。

    与GPS不同，GPS在更高海拔是更弱的，并且在地下被打乱只有一些μ介子被固体物体阻止------它们越坚固，吸收的μ介子就越多。这已经使科学家们来利用恒定的宇宙倾盆大雨来映射否则不可进入的地方的内部，例如金字塔、火山和核反应堆的凶恶心脏。

一种μ介子度量无线导航系统的先前版本叫μ介子度量定位系统（muPS）被研究人员创建来检测被构造板块或火山活动造成的海底变化。就像GPS用天空中的卫星三角测量一样，μ介子度量定位系统由四个表面水平参考站组成，在到达一个在海底上的接收站之前μ介子将通过这些参考站。

考虑到μ介子在参考站和接收器之间的旅行时间，研究人员用电线连接了五个探测器，以便它们可以通讯它们之间的时间差。

为去掉繁琐的电线，对时间滞后研究人员想出了一种新的用高精度石英钟的解决方案，在它被拿到地下之前用GPS同步化参考站到接收器。

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田中说，“接收器探测器和参考探测器被首先连接到GPS来同步，这些探测器最终被从GPS分离导航。每个探测器都配备有一个精确的本地时钟------在这个案例中，一个烤箱控制的晶体振荡器------它在一个短时间（周期）内不会如此广的漂移。因此，这些实际上在一段时间内被同步化”。

然后，为了测试他们的系统的三角测量能力，研究人员在一座建筑物的六楼放置了四个参考探测器，并在建筑物的地下室给一个人了一个接收器探测器。通过扫描被探测器和接收器拾取的宇宙射线，研究人员重建了地下室导航员已经走过的路径。

随着这项新技术的成功展示，下一步将是来流线它，以便它能被整合进智能手机。田中说，“接收器的探测器尺寸将是一个芯片尺寸，我们也不需要精确的时间同步化，因此不再需要原子钟。因此，绝对可能来安装进智能手机”。