Предсказание движения волн: новая задача для нейтринных сигналов
Прогнозирование волнения моря на несколько минут вперёд
Выполнение морских операций, таких как посадка самолёта на плавучую платформу или перегрузка грузов между судами, требует точного прогнозирования движения волн как минимум на несколько минут вперёд. Задача усложняется двумя факторами:
* В сложных погодных условиях волны скрывают морской пейзаж за собой, что затрудняет измерения, на основе которых строятся прогнозы.
* Поведение волн может быть нелинейным, что приводит к быстрому накоплению ошибок в наборе данных.
Синьшу Чжан из Шанхайского университета Цзяо Тун и его коллеги разработали улучшенный метод, который решает обе проблемы [1]. Их вычислительная техника использует радарные данные, которые суда регулярно собирают. Для внедрения метода не потребуется дополнительного оборудования.
Использование радарных систем на судах
Судовые радарные системы устанавливаются на высоте для наилучшего обзора, но они никогда не могут обеспечить полный охват. Типичная система имеет центральное слепое пятно, простирающееся на десятки или сотни метров от корабля, а то, что она фиксирует, может быть неполным из-за волнения моря.
Чжан и его коллеги заполнили эти пробелы, используя алгоритм усреднения, который непрерывно интерполирует данные с трёх последовательных радарных изображений. Они ввели этот более полный набор данных в прогностическую модель, учитывающую нелинейности до третьего порядка во взаимодействиях между волнами. Когда волны высокие и крутые, такие эффекты могут приводить к появлению «блуждающих» волн, амплитуда которых намного больше, чем в обычных условиях.
Команда испытала технику на смоделированных волновых полях и достигла погрешности в определении высоты волн менее 10%. Ошибки были в два раза больше, когда они учитывали нелинейность только второго порядка, и в три раза больше, когда волновая интерференция считалась линейной, как в большинстве современных моделей. Далее Чжан и его коллеги планируют испытать свой метод в море.
Новое объяснение происхождения нейтрино с ультравысокой энергией
С 2011 года эксперимент IceCube на Южном полюсе обнаружил несколько космических нейтрино с энергиями выше 1 петаэлектронвольт (ПэВ). А в 2023 году эксперимент KM3NeT на дне Средиземного моря зафиксировал нейтрино с рекордной энергией в 220 ПэВ (см. [Research News: An Ultrahigh Neutrino Detection Makes Waves](https://physics.aps.org/articles/v18/35)). Происхождение таких нейтрино с ультравысокой энергией — одна из величайших загадок астрофизики.
Теперь Александра Клипфель и Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института показали, что эти частицы могли быть произведены при взрывной гибели первичных чёрных дыр [1].
Первичные чёрные дыры
Первичные чёрные дыры могли возникнуть в результате коллапса чрезвычайно плотной субатомной материи сразу после Большого взрыва. Эти гипотетические тела могут составлять большую часть или всю тёмную материю во Вселенной сегодня. Как и другие чёрные дыры, первичные чёрные дыры постепенно теряют массу, испуская так называемое излучение Хокинга. В свою очередь, они медленно нагреваются, поскольку температура чёрной дыры обратно пропорциональна её массе.
В конце концов, через миллиарды лет эти тела взрываются, высвобождая поток частиц с ультравысокой энергией, включая нейтрино.
Клипфель и Кайзер предположили, что первичные чёрные дыры существуют и составляют значительную часть тёмной материи. Они определили скорость, с которой такие тела взрываются в нашей Галактике сегодня. Они обнаружили, что эти взрывы могут объяснить как малое количество, так и ультравысокую энергию нейтрино, наблюдаемых экспериментами IceCube и KM3NeT.
Гипотезу пары учёных можно проверить с помощью данных будущих обнаружений нейтрино с энергией в петаэлектрон-вольтах. Например, если предложение верно, эти частицы должны преимущественно прибывать из Галактического центра, где плотность тёмной материи наибольшая.