Cosmic muon arrival directions as a source of entropy

In de stille hoekjes van de natuurkunde is er een constante, onzichtbare regen van deeltjes die uit de hemel valt. Dit zijn kosmische muonen, subatomaire fragmenten die ontstaan wanneer hoogenergetische deeltjes uit de diepe ruimte op de atmosfeer van de aarde botsen. Ze zijn niet slechts willekeurige ruis; het zijn de overblijfselen van gewelddadige kosmische gebeurtenissen, die met bijna de snelheid van het licht reizen. Decennialang hebben wetenschappers deze deeltjes gebruikt om het universum te bestuderen, maar een nieuwe lijn van onderzoek stelt een andere vraag: kan het onvoorspelbare pad van een enkele muon worden gebruikt om perfecte willekeur te creëren? Dit is een vraag van enorme praktische waarde. In de digitale wereld is willekeur het fundament van beveiliging. Het beschermt onze bankrekeningen, beveiligt onze communicatie en vormt de basis voor de tests die de vreemde wetten van de kwantummechanica verifiëren. Hoewel computers willekeur kunnen nabootsen, zijn het uiteindelijk voorspelbare machines. Om echte, onbreekbare willekeur te verkrijgen, moeten wetenschappers zich tot de fysieke wereld wenden, op zoek naar een bron van chaos die geen enkel algoritme ooit kan voorzien.

Een onderzoeker aan de Central University of Karnataka heeft nu aangetoond dat de aankomstrichting van deze kosmische muonen precies zo'ng een bron biedt. Met behulp van een detector die oorspronkelijk werd gebouwd om te helpen bij het ontwerp van een massief neutrino-observatorium, volgde de onderzoeker de paden van miljoenen muonen gedurende zes maanden. De detector, een stapel grote, gasgevulde platen, registreerde de precieze hoek waaronder elk deeltje erdoorheen trok. De onderzoeker ontdekte dat deze hoeken niet alleen willekeurig zijn; ze zijn een rijke, onontgonnen bron van entropie, of wanorde, die kan worden omgezet in digitale bits. Door de gegevens te analyseren, toonde de onderzoeker aan dat elk enkel traject van een muon tot vier bits aan hoogwaardige willekeurige informatie kan generen. Dit is een belangrijke ontdekking omdat het bewijst dat de richting van waaruit een deeltje arriveert net zo nuttig is voor het genereren van willekeur als de tijd waarop het arriveert, een methode die eerder was gebruikt.

Het experiment vertrouwde op een specifieke opstelling in Mumbai, India. Het apparaat was een toren van twaalf lagen weerstandsplaatkamers (resistive plate chambers), elk één vierkante meter groot. Deze kamers zijn in feite detector-sandwiches gevuld met een speciaal gas. Wanneer een muon door het gas sjeest, laat hij een spoor van elektrische signalen achter op koperen strips die de platen bekleden. Door te kijken naar welke strips in elke laag werden geactiveerd, kon de onderzoeker het exacte traject van de muon reconstrueren, waarbij de zenithhoek werd berekend (die aangeeft hoe steil het deeltje naar beneden kwam) en de azimuthoek (die aangeeft uit welke kompasrichting het kwam). Gedurende een periode van ongeveer 55 dagen registreerde het systeem bijna 138 miljoen gebeurtenissen. Niet alle hiervan waren echter bruikbaar. De detector was een prototype, en sommige van de lagen waren luidruchtig of defect. De onderzoeker moest de gegevens zorgvuldig filteren door gebeurtenissen te verwijderen die leken op elektronische glitches of deeltjes die te veel verstrooiden, waardoor een schone set van ongeveer 5,6 miljoen muon-trajecten overbleef voor analyse.

Nadat de gegevens waren opgeschoond, stond de onderzoeker voor de uitdaging om deze hoeken in getallen om te zetten. De mogelijke hoeken werden verdeeld in kleine bins, of bakjes, en er werd een nul of een één toegewezen afhankelijk van in welk bakje een muon viel. Aanvankelijk werd er een lichte onbalans in de resultaten gevonden; de distributie was niet perfect gelijkmatig, waarschijnlijk door de structuur van het gebouw boven de detector of kleine imperfecties in de apparatuur. Om dit op te lossen, werd een wiskundig conditioneringsproces toegepast, wat in essentie het mengen van de bits inhield om de bias weg te wassen. Deze stap verminderde de hoeveelheid gegevens enigszins, maar zorgde ervoor dat de uiteindelijke output werkelijk willekeurig was. Het resultaat was een stroom bits die de strenge statistische tests doorstond die zijn ontworpen door het National Institute of Standards and Technology, de gouden standaard voor willekeur.

De studie toonde aan dat deze methode zeer efficiënt is. Elk muon-traject leverde een entropiewaarde op van bijna één bit per bit, wat betekent dat de informatie bijna perfect onvoorspelbaar was. Met de huidige omvang van de detector genereert het systeem willekeurige getallen met een snelheid van ongeveer 650 bits per seconde. De onderzoeker merkte op dat dit tempo niet de limiet is; als zij een grotere detector zouden bouwen, bijvoorbeeld twee bij twee meter, zou de snelheid kunnen springen naar ongeveer 2.500 bits per seconde. Er werd ook geëxperimenteerd met manieren om meer data uit elk deeltje te persen door gebruik te maken van complexere binning-strategieën, maar er werd ontdekt dat het te ver doorvoeren hiervan fouten introduceerde waardoor de gegevens de willekeurigheidstests niet meer doorstonden. Het ideale punt, zoals zij ontdekten, was het gebruik van een specifieke methode die vier bits per muon-traject produceerde zonder de kwaliteit in gevaar te brengen.

Buiten de cryptografie opent dit werk een deur naar fundamentele natuurkundige experimenten. Een van de grootste uitdagingen bij het testen van de kwantummechanica is de "freedom-of-choice"-loophole (vrijheid van keuze-probleem), een scenario waarin de instellingen van een experiment mogelijk geheim beïnvloed worden door de deeltjes die gemeten worden. Om deze loophole te sluiten, moeten wetenschappers hun meetinstellingen kiezen met behulp van een bron van willekeur die volledig onafhankelijk is van het experiment. Terwijl sommige voorstellen wijzen op het gebruik van licht van verre quasars voor dit doel, suggereert de nieuwe studie dat kosmische muonen dezelfde rol kunnen vervullen. De onderzoeker berekende dat als twee detectoren ver uit elkaar geplaatst zouden worden, de kans dat ze beide een muon op exact hetzelfde moment opvangen om een keuze te maken, met kleine apparaten zeer laag zou zijn. Echter, als de detectoren veel groter zouden worden gemaakt, bijvoorbeeld vijf bij vijf meter, zou de waarschijnlijkheid van gelijktijdige detectie stijgen naar bijna de helft, waardoor de opstelling een levensvatbaar instrument wordt voor deze diepgaande tests.

De bevindingen dienen als een bewijs van principe dat de hemel zelf een generator van perfecte willekeur kan zijn. Het werk beweert niet alle problemen met de generatie van willekeurige getallen te hebben opgelost, noch suggereert het dat deze specifieke detector klaar is voor commercieel gebruik. In plaats daarvan toont het een duidelijke weg vooruit. Door aan te tonen dat de richting van een kosmisch deeltje een betrouwbare bron van entropie is, heeft de onderzoeker een nieuw instrument aan de gereedschapskist van de natuurkundige toegevoegd. Het is een herinnering aan het feit dat zelfs in de meest alledaagse aspecten van ons dagelijks leven, zoals de regen van deeltjes die uit de hemel valt, een diepe, chaotische orde ligt die kan worden ingezet om onze digitale toekomst te beveiligen en de diepste mysteries van het universum te onderzoeken.