De lang gezochte ongrijpbare ultrahoge-energetische neutrino's - spookachtige deeltjes die afstanden op kosmologische schaal afleggen - zijn de sleutel tot het begrijpen van het universum met de hoogste energieën. Het is een uitdaging om ze op te sporen, maar de Giant Radio Array voor Neutrino Detection (GRAND), een neutrinodetector van de volgende generatie is ontworpen om ze te vinden.

Een decennia oud mysterie:waar komen de meest energetische deeltjes vandaan?

Een grote open vraag in de astrofysica van de afgelopen vijftig jaar is de oorsprong van de meest energetische deeltjes die we kennen, de ultrahoge-energetische kosmische straling (UHECR's). Dit zijn elektrisch geladen deeltjes - protonen en atoomkernen - van buitenaardse oorsprong. Hun energieën zijn miljoenen keren hoger dan die van de Large Hadron Collider.

De meest energieke UHECR's hebben energieën van 10 ¹⁹ eV of meer. Dit gaat over de kinetische energie van een voetbal (voetbal) geschopt door een professionele speler, geconcentreerd in de grootte van een atoomkern. UHECR's zijn waarschijnlijk gemaakt in krachtige kosmische versnellers - zoals actieve superzware zwarte gaten en supernova's - die zich buiten de Melkweg bevinden, op afstanden van enkele Gigaparsecs (109 parsec ~ 10 ¹³ kilometer), in de verre uithoeken van het waarneembare heelal. Echter, ondanks onze inspanningen, tot nu toe is er geen individuele bron van kosmische straling geïdentificeerd.

De reden is tweeledig. Eerst, omdat kosmische straling elektrisch geladen is, ze worden gebogen door de magnetische velden die bestaan ​​in de intergalactische ruimte en in de Melkweg. Als resultaat, de richting waarmee ze bij de aarde aankomen, wijst niet terug naar hun oorsprong. Tweede, tijdens hun reis naar de aarde, UHECR's interageren willekeurig met kosmische fotonvelden die het heelal doordringen - met name met de kosmische microgolfachtergrond. In de interacties, UHECR's worden ofwel volledig vernietigd - en komen dus nooit op de aarde aan - of verliezen een aanzienlijke hoeveelheid energie - wat hun magnetische buiging verder verergert.

Gelukkig, dezelfde interacties produceren ook secundaire ultra-high-energy neutrino's als bijproduct. Die kunnen we gebruiken als een proxy om de bronnen en eigenschappen van UHECR's te vinden.

Ultra-hoge-energetische neutrino's

Neutrino's zijn elementaire deeltjes met unieke eigenschappen:ze zijn licht, elektrisch neutraal, en nauwelijks interactie met materie of fotonen. Dit maakt het moeilijk om ze op te sporen. Maar het betekent ook dat, in tegenstelling tot kosmische straling, ultrahoge-energetische neutrino's worden niet gebogen door magnetische velden, noch worden ze vernietigd of verliezen ze energie in interacties met kosmische fotonen. Omdat het universum voor hen niet ondoorzichtig is, ze zijn in staat om de aarde te bereiken, zelfs bij de hoogste energieën, en vanaf de meest afgelegen locaties.

Neutrino's erven ongeveer 5% van de energie van hun ouder UHECR's. Daarom, neutrino's van energieën rond 10 ¹⁹ eV (10 EeV, met 1 EeV =10 ¹⁸ eV) zijn gemaakt van UHECR's van energieën die 20 keer hoger zijn, die de aarde niet bereiken, tenzij ze in de buurt worden geproduceerd. door EeV-neutrino's te bestuderen, we bestuderen indirect 200-EeV kosmische straling, helemaal aan het einde van het waargenomen kosmische energiespectrum. Omdat het onwaarschijnlijk is dat deze kosmische stralen de aarde bereiken, neutrino's bieden de enige haalbare manier om ze en hun bronnen te bestuderen.

Ultra-hoge-energetische neutrino's geproduceerd in de interacties van UHECR's met de kosmische microgolfachtergrond op weg naar de aarde, worden kosmogene neutrino's genoemd (zie figuur 1). Hun energiespectrum codeert informatie over hun ouder UHECR's, met name hun massasamenstelling van de energiedistributie, en de maximale energie die ze bereiken. Kosmogene neutrino's bevatten ook informatie over de populatie van UHECR-bronnen - hun aantaldichtheid en afstanden - die kan helpen de lijst met kandidaat UHECR-bronklassen te verkleinen. Naast kosmogene neutrino's, ultrahoge-energetische neutrino's kunnen ook worden geproduceerd in interacties die plaatsvinden binnen de UHECR-bronnen. Deze neutrino's, in tegenstelling tot kosmogene, zou verwijzen naar individuele bronnen wanneer ze op aarde werden gedetecteerd, zodat ze in staat zijn om individuele UHECR-bronnen te onthullen.

Nog, tot dusver, neutrino's met ultrahoge energie zijn aan detectie ontsnapt. In recente jaren, het is duidelijk geworden dat hun flux waarschijnlijk zo laag is dat een grote neutrinodetector - groter dan de huidige - nodig is om ze te ontdekken en te bestuderen. GRAND is zo'n detector en is speciaal ontworpen om deze uitdaging aan te gaan.

GRAND:een ambitieus observatorium van de volgende generatie voor ultrahoge energieën

GRAND is een ambitieuze grootschalige neutrinodetector van de volgende generatie die speciaal is ontworpen om ultrahoge-energetische neutrino's te ontdekken, zelfs als hun flux erg laag is. Het zal dit bereiken door uitgebreide reeksen radioantennes te gebruiken om de verschillende radiosignalen te detecteren die worden gemaakt door ultrahoge-energetische neutrino's die interageren in de atmosfeer van de aarde.

Neutrino's hebben gewoonlijk een zwakke wisselwerking met materie en kunnen door de aarde reizen zonder te worden gestopt. Echter, de kans dat neutrino's interageren met materie groeit met hun energie. Vandaar, ultrahoge-energetische neutrino's die op aarde aankomen, hebben een aanzienlijke kans om ondergronds te interageren, binnen in de aarde.

Wanneer een van de drie bekende soorten neutrino's - "tau-neutrino's" - ondergronds interageert, het produceert een kortlevend deeltje - een "tau-lepton" - dat de atmosfeer ingaat. Daar, het vergaat en creëert een regen van nieuwe deeltjes, waaronder vele miljarden elektronen en positronen die, onder invloed van het aardmagnetisch veld, een impulsief radiosignaal uitzenden in het MHz-frequentiebereik. Dit signaal kan worden gedetecteerd met behulp van vrij eenvoudige antennes die gevoelig zijn in het 50-200 MHz-regime. Dit is het detectieprincipe van GRAND; het wordt geïllustreerd in figuur 2.

Omdat de verwachte flux van ultrahoge-energetische neutrino's erg laag is, we hebben een enorme detector nodig om de kans op detectie te vergroten. Daarom, GRAND is ontworpen om een ​​totale oppervlakte van 200, 000 km ² met antennes, waardoor het 's werelds grootste radio-array. Bovendien, GRAND zal gevoelig zijn voor soortgelijke radiosignalen die worden gecreëerd door ultrahoge-energetische kosmische straling en gammastraling, waardoor het een veelzijdig ultra-high-energy observatorium is, niet alleen een neutrino-detector.

Voor jaren, de techniek van radiodetectie van ultrahoge-energetische deeltjes is onderzocht door andere experimenten, zoals het Pierre Auger Observatorium en LOFAR. Echter, de enorme omvang van GRAND vormt een logistieke uitdaging. We zullen hieraan tegemoet komen door GRAND te bouwen in fasen van steeds grotere arrays. In elke fase, de wetenschappelijke doelen en onderzoek en ontwikkeling (R&D) gaan hand in hand.

momenteel, GRANDProto300, een technische array met 300 antennes, is in aanbouw nabij de stad LengHu in de provincie QingHai in China. Het zal al gevoelig genoeg zijn om de overgangsenergieën te bestuderen waarbij de oorsprong van de waargenomen kosmische straling wordt gedomineerd door extragalactische bronnen. Het zal ook zoeken naar voorbijgaande radiosignalen van astrofysische gebeurtenissen zoals snelle radio-uitbarstingen en gigantische radiopulsen.

De volgende stap, GRAND10k, zal bestaan ​​uit 10, 000 antennes. Het zal de eerste fase van GRAND zijn die groot genoeg is om de eerste kans te bieden om ultra-hoge-energetische neutrino's te detecteren. De bouw van GRAND10k start naar verwachting over ongeveer vijf jaar. De GRAND10k zal ook recordaantallen ultrahoge-energetische kosmische straling detecteren en de beste gevoeligheid bereiken voor ultra-hoge-energetische gammastraling.

De laatste, doel stadium, GRAND200k zal bestaan ​​uit 200, 000 antennes. Deze antennes zullen worden opgesteld in verschillende (ongeveer 20) verschillende "hotspots, " dat is, gunstig, radiostille locaties in de wereld. In dit stadium, GRAND zal zijn volledige natuurkundige potentieel bereiken, Opmerkelijk, de beste gevoeligheid voor ultra-high-energy neutrino's. GRAND200k is gepland voor de jaren 2030. De rijke wetenschappelijke case en uitdagende R&D die nodig is om GRAND te creëren, trekt wetenschappers uit verschillende landen aan om samen te werken. Er worden stappen voorbereid om de GRAND-organisatiestructuur te formaliseren door middel van Memoranda of Understanding tussen verschillende instituten. In aanvulling, de regering van QingHai zorgt voor de nodige infrastructuur en zorgt ervoor dat de GRAND10K-site vrij zal zijn van door mensen gemaakte achtergrondbronnen. Naast het brengen van geweldige wetenschap, GRAND kan ook een succesvol voorbeeld worden van een werkelijk wereldwijde wetenschappelijke samenwerking onder Chinees leiderschap.