„На голям кораб – голямо плаване.“

Навигацията с помощта на гео-неутрино е авангардна концепция, която позволява навигиране без нужда от GPS сателити, радиосигнали или компаси. Тя се основава на засичането на елементарни частици (неутрино), излъчвани естествено от вътрешността на Земята, и в момента е обект на интензивни научни и военно-технологични изследвания.

Частицата неутрино е известна от 30-те години на миналия век, когато предположението за съществуването на неутрино като продукт на бета-разпадане е направено от W. Pauli, но е открито едва през 1956 г. Източникът на неутрино може да бъде или реакциите спонтанен разпад на радиоактивни елементи или реакции, причинени от процесите на взаимодействие на различни елементарни частици. Интензивни радиогенни процеси, протичащи в тялото на Земята (и топлоотделянето в земния мащаб е повече от 300 TW, което е установено и потвърдено от редица изследвания, водят до образуването на така нареченото електронно антинеутрино, наречено геонеутрино, според мястото на раждане (освен него има и мюонни и таонови неутрино).

Тук може да се отбележи, че този тип, но не неутрино, а антинеутрино, е един от основните продукти на реакцията в атомните енергетични установки. Както беше отбелязано по-рано, въз основа на решението на навигационния проблем, напречното сечение за взаимодействие на частица неутрино с материя е изключително малко, което до известна степен усложнява неговото регистриране. Така в литературата са представени данни за енергийния спектър на неутрино с различен произход и данни за напречните сечения на взаимодействие (рис. 4, 5).

Рис. 4. Спектър на неутрино с различен произход (тук ср е телесния ъгъл)

Рис. 5. Напречно сечение на реакцията на неутрино като функция на енергията на неутрино за 133Cs (зелена пунктирана линия) и 127I (червена) за процеса CEνNS. Показани са обратен β-разпад (IBD) (синя) и разсейване на неутрино върху електрон (νe – e) (черна), напречни сечения, получени от данни на GENIE

Като вземем предвид потока геонеутрино (рис. 4) – около 108 [частици/см² /с/ср/МэВ] и стойността на напречното сечение на взаимодействието (напречно сечение) ~10-43 см², можем да видим, че вероятността ( вижте израз (1)) регистрацията на частиците е изключително малка.
Тук напречното сечение на взаимодействието се разбира като напречното сечение за еластично разсейване на неутрино върху целеви електрони и обратен β-разпад, графики на рис.5. За надеждно откриване на частица с такова напречно сечение на взаимодействие са необходими огромни маси материя, какъвто е случаят с редица съществуващи детектори за неутрино в различни страни по света: Русия (станция Баксан, детектор на езерото Байкал), САЩ (Ice Cube), Япония (KamLAND), Италия (BOREXINO) и редица други.
Както може да се види от публикации, съществуващите детектори за неутрино (откриване на фотони от взаимодействия на неутрино, използвайки схемите на еластично разсейване на неутрино върху целевите електрони и обратен β-разпад са физически инсталации и практически не са подходящ за решаване на проблема с навигацията.
Обаче, откритото през 2015 г. явление на осцилация на неутрино: трансформацията на неутрино от едно поколение в неутрино от друго поколение (тип), доказващо, че неутриното имат маса, направи това възможно през 2015–2016 г. за експериментално установяване и потвърждаване (експериментът COHERENT: Oak Ridge Laboratory (САЩ), MEPhI (Русия) и други – повече от 4 страни и 80 участници) явлението еластично кохерентно разсейване на неутрино (УКРН), предсказано през 1974 г. от тежки атомни ядра (кохерентно еластично неутрино-ядрено разсейване, CEνNS), което може значително да увеличи вероятността за регистриране на частици (рис. 5) при използване на атоми с тежки ядра, например ксенон, цезий, йод, за тази цел. За такова взаимодействие на частица с мишена напречното сечение на взаимодействието се определя от съотношението:

където A е броят на неутроните в целевото атомно ядро, Eν е енергията на неутриното, МэВ (валидно за енергии на неутрино до 50 МэВ. За сравнение представяме масите на покой на различни видове неутрино: електронно неутрино – по-малко от 2·10-6 МэВ/c² (c е скоростта на светлината във вакуум), мюонно неутрино – 0,2 МэВ/c², taun неутрино – 18 МэВ/c² (за справка (автор): ~0,5 МэВ/c² – маса на покой на електрона). Детекторът на течен ксенон, създаден за задачата да открива неутрино, вече има размери, приемливи за решаване на навигационния проблем (размерът на самия детектор е около ∅700×1700 mm с ~240 kg течен ксенон). Въпреки това, както ще бъде показано по-нататък, интензитетът на потока геонеутрино се оказва недостатъчен за надеждното му откриване в приемливо време, дори с помощта на нов детектор, базиран на УКРН ефекта.

Относно навигацията с помощта на ускорителни неутрино.
По-рано беше дадена информация, че през 1995 г. ускорителите на частици са били разглеждани като източници на неутрино. Въпреки това, както тогава, така и десетилетия по-късно, ускорителите бяха обемисти, енергоемки физически инсталации, което ги правеше трудни за използване за навигационни цели. Вероятно в тази връзка през 2011 г. бяха разгледани варианти за използване на така наречените слънчеви неутрино (рис. 4), когато трябваше да се фиксира ъгълът на пристигане на частицата и съответно да се определи времето на нейното пристигане в детектора. Ако говорим за метода, той е подобен на метода за определяне на координатите при наблюдение на Слънцето с помощта на радиосекстант. Тази опция обаче също е неподходяща за навигация поради недостатъчния интензитет на слънчевия неутринен поток (около 1012 частици/см² /с/ср/МэВ) (рис. 4), който ще бъде разгледан по-долу, и значителната зависимост на поток върху зенитния ъгъл (между посоката на слънцето и локалния зенит). Ясната представа, че има поток от частици (или така наречените дъждове от частици – трансформацията на първичните частици във вторични, а също и прехода на поколения частици от една към друга) се дава от схематично представяне в (рис. 6).

Рис. 6. Качествена диаграма на взаимодействието на протона на космическите лъчи с ядрата в земната атмосфера: Л – водеща частица; Я – ядрено взаимодействие; E/M – електромагнитни; СЛ – слаб

Понастоящем, вероятно във връзка с развитието на ускорителната технология и проблема с наличността на ГНСС поради различни видове смущения се появиха работи, посветени на възможност за решаване на проблема за коригиране на инерционна навигационна система чрез създаване на ВСРК с помощта на мюонни неутрино, произведени в резултат на мюонен разпад. В литературата се разглеждат решаването на проблема за изясняване на координатите на местоположението с помощта на неутрино (навигационни неутрино, «neutrinos PNT»).
Използвайки метода на полу-естественото моделиране, където данните за параметрите на мюонния неутринен поток, генериран от съществуващия протонен ускорител от типа DAEδDALUS, ESSnuSB (насочен поток в сектора с най-малко 4 ∗ 1022 частици/година на изхода на инсталацията) беше използван като първоначални данни, беше показано, че за Практическо решение на проблема за изясняване на местоположението изисква източник на неутрино, който произвежда изотропен неутринен поток от порядъка на 3,8 1025 частици/година в определен конус . В литературата се приема, че разработваните нови ускорители, включително тези, които могат да се движат, ще могат да осигурят необходимия неутринен поток, когато се постигнат необходимите физически размери и икономическа осъществимост. Граничните условия за изследването бяха да се поставят генератори на неутрино на разстояние не повече от 1000 km един от друг, например в средиземноморския басейн съгласно схемата, предложена в публикация. Този диапазон е постижим благодарение на стабилността на неутриното, без да се броят осцилациите.

В публикации се показва, че при следните условия:
– предлагано разположение на неутрино генератори,
– прилагане на модулация на потока от неутрино (за изолиране на сигнала от фоновия шум и идентифициране на източника на неутрино) чрез промяна на времето на излъчване и неговата продължителност (метод на времето на полета, алгоритъм за прозорци за обхват),
– синхронизация на детектора и генераторите на неутрино с грешка от порядъка на 1 μs или по-добра,
– използването на детектор за неутрино с тегло около 500 тона (работното вещество са кристали CsI, при условие че неутрино се откриват с помощта на схемата УКРН,
– при събиране на определена статистика за детектори за неутрино е възможно да се постигне точност при определяне на координатите на място от порядъка на 3000 m (с вероятност P = 0,997).

Минималното време, постигнато в този случай между последователните уточнения на местоположението, е около 3,6 часа (поради необходимостта от обработка на данни от детектора за неутрино), когато само няколко частици се записват в детектора през определеното време, както може да се съди от данни от (рис. 7).

Рис. 7. 2D разпределение на събития за 24 часа с ширина на импулса от 1 ns и честота на импулса от 1 µs като функция на обхвата до източника и масата на детекторното вещество (в диапазона на масата на детекторното вещество 5×102 – 5×103 kg , диапазони: 5×102 – 10×102 m броят на събитията достига ~45)

Може да се приеме, че с подходящите възможности на генератора на неутрино е възможна енергийна модулация на потока от частици (промяна в енергията на частиците). В публикация се допуска, че посоченият минимален праг (3,8 1025 частици/година) може да бъде значително надвишен чрез създаване на обещаващи ускорители на частици, като се вземе предвид фактът, че ядрен реактор може да произведе ненасочен поток от около 6 1029 частици/година (главно електронни антинеутрино). От публикацията също е очевидно, че броят на откритите частици може да се увеличи с увеличаване на енергията на лъча неутрино, излизащ от ускорителя. Отбелязва се, че така нареченото фокусиране на потока неутрино може да увеличи броя на откритите частици чрез организиране на съвместна работа на близки ускорители.
По отношение на детектора за неутрино може да се отбележи, че разглежданият вариант, базиран на кристали CsI, изглежда по-малко чувствителен от двуфазния (течна и газова фаза) базиран на ксенон детектор RED-100.
Предимството на детектор върху кристали, както може да се прецени от наличните данни, е например практическата липса на чувствителност към линейни ускорения, което не може да се каже за детектор с течна фаза на вещество, което взаимодейства с неутрино. По този начин, според разработчиците на детектора RED-100, когато се работи върху подвижна основа, е важно да се постигне хоризонтално положение на интерфейса между течната и газовата фаза в полето на гравитацията.
По отношение на детектора за неутрино върху кристална материя се отбелязва, че вместо детектори, базирани на фотоумножителни тръби (Photomultiplier Tubes (PMTs)), използвани в експеримента COHERENT, се предлага да се използват разработени силициеви фотоумножители (Silicon Photomultipliers/Multi-Pixel Photon Броячи (SiPM) /MPPC)), което позволява да се създадът пространствени структури с малък размер. Силиконовите детектори от този вид вече се произвеждат масово и имат висока чувствителност. Според публикации в рамките на проекта CosmicWatch в Масачузетския технологичен институт (MIT, САЩ) през 2010 г. беше разработен ултрамалък космически мюонен детектор, чиято основа са SiPM, произведени от SensL (Ирландия, САЩ), позволяващи изследвания в реално време.
В публикация се показва, че в предложената архитектура на навигационна система, използваща мюонни неутрино (рис. 8), въпросът за синхронизацията в рамките на единна система от източници и детектори на неутрино е важен. По отношение на временното осигуряване на тази задача следва да се обърне внимание на следния факт. Според доклад, направен в Станфордския университет (САЩ), DARPA и редица американски организации разработват различни теми, включително програмата µPNT (3D монтаж с микромеханични инерционни сензори и атомни часовници върху цезий Cs и програмата CSAC (създаване на миниатюрни атомни часовници на реално време).
Както може да се съди от изходните данни, компанията Microsemi (САЩ) е разработила и произвежда миниатюрни часовници на базата на Cs атоми. Вероятно такива часовници, когато са свързани с фотодетектори като SiPMs, могат да подобрят разделителната способност на детектора за неутрино като цяло.

Рис. 8. Концепция за архитектурата на навигационната система Neutrino

Въпросът за източниците на неутрино, които позволяват да се отговори на изискванията на навигационната система с приемливи показатели за ефективност, ще бъде разгледан подолу. Завършвайки разглеждането на свойствата на навигационната система, използваща мюонни неутрино, можем да отбележим технологичната пътна карта за развитие на неутрино навигация (до 2030 г., програма POSITRINO), която в момента се изпълнява. Като вероятен „страничен продукт“ на тази програма може да се приеме създаването на пасивна система за проследяване на носители на атомни енергетични установки (АЕУ), какъвто е случаят със системата за мониторинг на атомни енергетични установки, подобно на системата за мониторинг на акустичен шум SOSUS за подводни обекти.