Den länge eftersökta, svårfångade neutriner med ultrahög energi – spökliknande partiklar som färdas avstånd i kosmologisk skala – är nyckeln till att förstå universum vid de högsta energierna. Att upptäcka dem är utmanande, men Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND), en nästa generations neutrinodetektor är designad för att hitta dem.

Ett årtionden gammalt mysterium:Var kommer de mest energirika partiklarna ifrån?

En stor öppen fråga inom astrofysik under de senaste femtio åren har varit ursprunget till de mest energirika partiklar som vi känner till, de ultrahögenergetiska kosmiska strålarna (UHECR). Dessa är elektriskt laddade partiklar – protoner och atomkärnor – av utomjordiskt ursprung. Deras energier är miljontals gånger högre än de hos Large Hadron Collider.

De mest energiska UHECRs har energier på 10 ¹⁹ eV eller mer. Det här handlar om den kinetiska energin hos en fotboll (fotboll) som sparkas av en professionell spelare, koncentrerad till storleken av en atomkärna. UHECR är sannolikt gjorda i kraftfulla kosmiska acceleratorer - som aktiva supermassiva svarta hål och supernovor - placerade utanför Vintergatan, på avstånd av några Gigaparsecs (109 parsec ~ 10 ¹³ km), längst bort i det observerbara universum. Dock, trots våra ansträngningar, ingen enskild källa till kosmisk strålning har hittills identifierats.

Orsaken är tvåfaldig. Först, eftersom kosmiska strålar är elektriskt laddade, de böjs av magnetfälten som finns i det intergalaktiska rymden och inuti Vintergatan. Som ett resultat, riktningen med vilken de anländer till jorden pekar inte tillbaka till deras ursprung. Andra, under deras resa till jorden, UHECR interagerar slumpmässigt med kosmiska fotonfält som genomsyrar universum - särskilt, med den kosmiska mikrovågsbakgrunden. I interaktionerna, UHECR:er är antingen helt förstörda - och kommer därför aldrig till jorden - eller förlorar en betydande mängd energi - vilket ytterligare förvärrar deras magnetiska böjning.

Lyckligtvis, samma interaktioner producerar också sekundära ultrahögenergineutriner som en biprodukt. De kan vi använda som en proxy för att hitta källor och egenskaper hos UHECR.

Ultrahögenergi neutrinos

Neutrinos är elementarpartiklar med unika egenskaper:de är lätta, elektriskt neutral, och interagerar knappt med materia eller fotoner. Detta gör det svårt att upptäcka dem. Men det betyder också att till skillnad från kosmiska strålar, ultrahögenergineutriner böjs inte av magnetfält, inte heller förstörs de eller förlorar energi i interaktioner med kosmiska fotoner. Eftersom universum inte är ogenomskinligt för dem, de kan nå jorden även vid de högsta energierna, och från de mest avlägsna platserna.

Neutrinos ärver cirka 5% av energin från sina överordnade UHECRs. Därför, neutrinos av energier runt 10 ¹⁹ eV (10 EeV, med 1 EeV =10 ¹⁸ eV) skapas från UHECRs av energier 20 gånger högre, som inte når jorden, såvida de inte tillverkas i närheten. genom att studera EeV neutrinos, vi studerar indirekt 200-EeV kosmiska strålar, i slutet av det observerade energispektrumet för kosmisk strålning. Eftersom dessa kosmiska strålar sannolikt inte kommer att nå jorden, neutriner är det enda gångbara sättet att studera dem och deras källor.

Ultrahögenergineutrinos producerade i samspelet mellan UHECRs med den kosmiska mikrovågsbakgrunden på väg till jorden, kallas kosmogena neutriner (se figur 1). Deras energispektrum kodar information om deras överordnade UHECR-särskilt, deras energifördelning masssammansättning, och den maximala energi som de når. Kosmogena neutriner har också information om populationen av UHECR-källor - deras antal densitet och avstånd - som kan hjälpa till att begränsa listan över kandidatklasser för UHECR-källor. Förutom kosmogena neutriner, ultrahögenergineutriner kan också produceras i interaktioner som äger rum inuti UHECR-källorna. Dessa neutrinos, till skillnad från kosmogena, skulle peka tillbaka till enskilda källor när de upptäcktes på jorden, så de kan avslöja individuella UHECR-källor.

Än, än så länge, ultrahögenergineutriner har undgått upptäckt. På senare år har det har blivit tydligt att deras flöde sannolikt är så lågt att en stor neutrinodetektor – större än de som finns för närvarande – behövs för att upptäcka och studera dem. GRAND är en sådan detektor och är speciellt utformad för att klara denna utmaning.

GRAND:Ett ambitiöst nästa generations observatorium av ultrahöga energier

GRAND är en ambitiös nästa generations storskalig neutrinodetektor speciellt utformad för att upptäcka ultrahögenergineutriner, även om deras flöde är mycket lågt. Det kommer att uppnå detta genom att använda omfattande uppsättningar av radioantenner för att upptäcka de distinkta radiosignaler som skapas av ultrahögenergineutriner som interagerar i jordens atmosfär.

Neutriner interagerar vanligtvis svagt med materia och kan färdas genom jorden utan att stoppas. Dock, sannolikheten för att neutriner interagerar med materia ökar med deras energi. Därav, ultrahögenergineutriner som anländer till jorden har en betydande chans att interagera under jorden, inuti jorden.

När en av de tre kända typerna av neutriner - "tau neutrinos" - interagerar under jorden, den producerar en kortlivad partikel - en "tau lepton" - som kommer ut i atmosfären. Där, det sönderfaller och skapar en dusch av nya partiklar, inklusive många miljarder elektroner och positroner som, under påverkan av jordens magnetfält, avge en impulsiv radiosignal i frekvensområdet MHz. Denna signal kan detekteras med ganska enkla antenner som är känsliga i 50-200 MHz-regimen. Detta är detektionsprincipen för GRAND; det illustreras i figur 2.

Eftersom det förväntade flödet av neutriner med ultrahög energi är mycket lågt, vi behöver en enorm detektor för att öka chanserna för upptäckt. Därför, GRAND är designad för att täcka en total yta på 200, 000 km ² med antenner, vilket gör den till världens största radiouppsättning. Dessutom, GRAND kommer att vara känslig för liknande radiosignaler som skapas av kosmiska strålar och gammastrålar med ultrahög energi, vilket gör det till ett mångsidigt observatorium med ultrahög energi, inte bara en neutrinodetektor.

I åratal, tekniken för radiodetektering av ultrahögenergipartiklar har utforskats av andra experiment, som Pierre Auger Observatory och LOFAR. Dock, den stora omfattningen av GRAND representerar en logistisk utmaning. Vi kommer att möta det genom att bygga GRAND i etapper av successivt större arrayer. I varje skede, vetenskapsmålen och forskning och utveckling (FoU) kommer att gå hand i hand.

Nuvarande, GRANDProto300, en konstruktionsuppsättning med 300 antenner, är under uppbyggnad nära staden LengHu i QingHai-provinsen i Kina. Det kommer redan att vara tillräckligt känsligt för att studera övergångsenergierna vid vilka ursprunget för de observerade kosmiska strålarna börjar domineras av extragalaktiska källor. Den kommer också att söka efter transienta radiosignaler från astrofysiska händelser som snabba radioskurar och gigantiska radiopulser.

Nästa steg, GRAND10k, kommer att bestå av 10, 000 antenner. Det kommer att vara det första steget av GRAND som är tillräckligt stort och ger den första chansen att upptäcka neutriner med ultrahög energi. Bygget av GRAND10k förväntas starta om cirka fem år. GRAND10k kommer också att upptäcka rekordmånga kosmiska strålar med ultrahög energi och uppnå den bästa känsligheten för gammastrålar med ultrahög energi.

Den slutliga, målstadiet, GRAND200k kommer att bestå av 200, 000 antenner. Dessa antenner kommer att sättas upp i flera (cirka 20) olika "hotspots, " det är, gynnsam, radiotysta platser i världen. I detta skede, GRAND kommer att nå sin fulla fysikpotential, i synnerhet, den bästa känsligheten för neutriner med ultrahög energi. GRAND200k är planerad till 2030-talet. Det rika vetenskapsfallet och utmanande forskning och utveckling som krävs för att skapa GRAND lockar forskare från olika länder att arbeta tillsammans. Steg för att formalisera GRAND organisationsstruktur genom samförståndsavtal mellan olika institut håller på att utarbetas. Dessutom, QingHai-regeringen tillhandahåller den nödvändiga infrastrukturen och den säkerställer att GRAND10K-platsen kommer att vara fri från konstgjorda bakgrundskällor. Förutom att ge stor vetenskap, GRAND kan också bli ett framgångsrikt exempel på ett verkligt världsomspännande vetenskapligt samarbete under kinesiskt ledarskap.