μ介子地下導航首測成功

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據《科學》報道，東京大學開發的一種基于宇宙射線產生的高能粒子導航系統首次在地下成功測試。未來，這項技術有望可用來引導地下或水下機器人，甚至幫助倒塌礦井或建筑物的搜索救援工作。相關研究結果發表于《交叉科學》。

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由宇宙射線產生并灑落在地球上的μ介子描繪圖。圖片來源：Hiroyuki K.M. Tanaka/University of Tokyo

全球定位系統(GPS)是一種成熟的導航工具，從安全的航空旅行到實時定位地圖等，都被廣泛積極地應用。然而，它也存在一些局限性。GPS信號在高緯度地區信號較弱，可能會被干擾或偽造信號，信號也會被墻壁等表面反射，被樹木干擾，無法穿過建筑物、巖石或水域。

相比之下，近年來，由于μ介子在深入火山、透視金字塔內部以及觀察颶風內部展現的重要作用，使其一直保持較高的研究熱度。但是，μ介子在全球范圍內正不斷頻繁地墜落，每分鐘每平方米大約有1萬個，并且無法被篡改。

論文東京大學Muographix的Hiroyuki Tanaka教授解釋，宇宙射線μ介子能均勻地落在地球上，無論穿過什么物質，都會以相同的速度行進，甚至可以穿透數公里的巖石。“現在，我們已經通過μ介子開發出一種新型GPS，并稱之為微測量定位系統(muPS)，它可以在地下、室內和水下工作。”

MuPS最初是為了幫助探測由海底火山或構造運動引起的海底變化而創建的。它使用四個地上介子探測參考站，為地下的介子探測接收器提供坐標。這種技術的早期版本要求接收器通過電線連接到地面站，這極大地限制了其移動性。

然而，這項最新研究使用高精度石英鐘來同步地面站和接收器，參考站提供的四個參數加上用于測量μ介子“飛行時間”的同步時鐘可以確定接收器的坐標。這種新系統被稱為微測量無線導航系統(MuWNS)。

為了測試MuWNS的導航能力，參考探測器被放置在一棟建筑的六層，“領航員”則拿著接收器探測器前往地下室。他們拿著接收器，在地下室的走廊里慢慢地走來走去。雖然沒有實時導航，但測量結果可以用來計算他們的路線，并確認他們所走的路徑。

“MuWNS目前的精度在2m到25m之間，范圍可達100m，具體取決于人的行走深度和速度。這與城市地區地面上的單點GPS定位效果一樣，甚至更好。但它仍然遠未達到實用水平，人們需要一米的精度，而實現這一目標的關鍵是時間同步。” Tanaka說。

改進這一系統以實現實時、精確的導航取決于時間和資金。理想情況下，該團隊希望使用芯片級原子鐘(CSAC)。

“CSAC已經商業化，比我們目前使用的石英鐘好兩個數量級。然而，這太貴了，我們現在無法使用。”但Tanaka預計，隨著全球對CSAC手機需求的增加，它們會變得更便宜。

未來，MuWNS有可能會被用于引導水下機器人或地下自動駕駛車輛。除原子鐘外，MuWNS的所有其他電子組件現在都可以小型化，因此該團隊希望最終能將其安裝到手持設備中，如手機。此外，在建筑物或礦井坍塌等緊急情況下，相關設備也會對搜救救援工作帶來極大的幫助。