ردیابی حرکات زیرزمین ممکن شد/ اولین جی‌پی‌اس پرتوی کیهانی

پرتوهای کیهانی ذراتی پرانرژی هستند که از فضای بیرونی از منابعی مانند خورشید، کهکشان‌های دوردست، ابرنواخترها و دیگر اجرام آسمانی منشاء می‌گیرند.

اگرچه ما نمی‌توانیم مستقیماً پرتوهای کیهانی را ببینیم یا احساس کنیم، اما آنها دائماً زمین را از فضا بمباران می‌کنند.

در واقع، این ذرات به قدری فراوان هستند که دانشمندان تخمین می‌زنند هر دقیقه یک پرتوی کیهانی به یک سانتی‌متر مربع از سطح زمین برخورد می‌کند!

دانشمندان این پرتوهای کیهانی را مطالعه می‌کنند تا در مورد جهان و نحوه تعامل ذرات پرانرژی بیاموزند.

با این حال، اکنون دانشمندان از پرتوهای کیهانی برای ابداع یک سیستم موقعیت‌یاب جهانی(GPS) برای ردیابی حرکات زیرزمینی استفاده کرده‌اند. این سیستم پیشگامانه قادر است دنیای واکنش به فجایع و بلایا را متحول کند.

این گروه پژوهشی به سرپرستی پروفسور هیرویوکی تاناکا از دانشگاه توکیو، یک سیستم ناوبری میومتریک بی‌سیم یا MuWNS را که یک تکنیک ناوبری بی‌سیم جدید است، توسعه داده‌اند.

استفاده از تشخیص میون برای توسعه سیستم‌های موقعیت‌یابی

هنگامی که پرتوهای کیهانی وارد جو زمین می‌شوند، با اتم‌ها و مولکول‌های موجود در هوا برخورد می‌کنند و بارانی از ذرات ثانویه به نام میون(muon) تولید می‌کنند. میون‌ها ذرات زیراتمی بنیادی مانند الکترون هستند، اما وزن‌شان ۲۰۷ برابر بیشتر از الکترون است.

میون‌ها می‌توانند به اجسام جامد نفوذ و از آنها عبور کنند و میزان نفوذ آن به چگالی ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، سنگ‌ها و ساختمان‌ها به دلیل چگالی زیاد، میون‌های زیادی را جذب می‌کنند.

در مقابل، جی‌پی‌اس(GPS) که متکی به امواج رادیویی است، در ارتفاعات بالاتر ضعیف‌تر است و به راحتی پراکنده می‌شود. این امر تشخیص حرکت زیرزمینی با استفاده از سیگنال‌های جی‌پی‌اس را دشوار می‌کند.

تاناکا و گروهش از این خاصیت پرتوهای کیهانی برای نقشه‌برداری از فضای داخلی مکان‌های غیرقابل دسترس مانند آتشفشان‌ها، هسته راکتورهای هسته‌ای و اهرام مصر استفاده کردند.

MuWNS چگونه کار می‌کند؟

تاناکا و همکارانش یک نسخه پیشین از MuWNS را به نام سیستم موقعیت‌یابی میومتریک(muPS) ساخته بودند. از muPS برای تشخیص تغییرات کف دریا با استفاده از میون استفاده شد که شامل چهار ایستگاه مرجع در سطح اقیانوس و یک ایستگاه گیرنده در کف اقیانوس بود.

اکنون سیستم MuWNS شامل قرار دادن آشکارسازهای مرجع روی سطح و یک آشکارساز گیرنده در زیر زمین برای تشخیص عبور میون‌ها است.

این سیستم با تجزیه و تحلیل زمان و جهت میون‌ها، موقعیت نسبی آشکارساز گیرنده در زیر زمین را در رابطه با آشکارسازهای مرجع روی سطح به شکل یک مثلث ردیابی می‌کند.

آشکارسازهای مرجع و گیرنده با استفاده از ساعت‌های کوارتز با دقت بالا برای جلوگیری از اختلاف زمان و اطمینان از دقت در موقعیت‌یابی هماهنگ می‌شوند.

هنگامی که تمام داده‌ها جمع‌آوری شد، برای بازسازی مسیرهای میون‌ها برای ایجاد یک مدل یا نقشه از منطقه زیرزمینی استفاده می‌شود. این نقشه می‌تواند اطلاعات ضروری، مانند ترکیب و چگالی موادی را که میون با آنها مواجه می‌شود، فراهم کند، بنابراین امکان تجسم ساختارهای زیرزمینی و ویژگی‌های جغرافیایی را فراهم می‌کند.

این گروه سیستم MuWNS خود را با قرار دادن آشکارساز گیرنده در زیرزمین یک ساختمان و قرار دادن چهار آشکارساز مرجع در طبقه ششم همان ساختمان آزمایش کردند.

پژوهشگران مسیر ناوبر زیرزمینی را با غربالگری پرتوهای کیهانی دریافت شده توسط آشکارسازها و گیرنده‌ها با موفقیت بازسازی کردند.

بنابراین این گروه اولین جی‌پی‌اس پرتوی کیهانی را به نمایش گذاشت که می‌تواند در ماموریت‌های جستجو و نجات آینده کمک کننده باشد و همچنین برای نظارت بر آتشفشان‌ها استفاده شود.

گام بعدی آنها ساده‌سازی MuWNS برای گنجاندن آن در تلفن‌های هوشمند است.

پروفسور تاناکا می‌گوید: اندازه آشکارساز گیرنده در مقیاس یک تراشه خواهد شد. ما به همگام‌سازی دقیق زمان نیاز نداریم، بنابراین ساعت اتمی دیگر مورد نیاز نیست و قطعاً می‌توان این سیستم را در تلفن‌های هوشمند قرار داد.

۵۸۵۸