Kæmpe neutrinoteleskop til at åbne vinduet til ultrahøjenergiunivers

Den længe søgte, undvigende neutrinoer med ultrahøj energi - spøgelseslignende partikler, der rejser afstande i kosmologisk skala - er nøglen til at forstå universet ved de højeste energier. At opdage dem er udfordrende, men Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND), en næste generations neutrino-detektor er designet til at finde dem.

Et årtier gammelt mysterium:Hvor kommer de mest energiske partikler fra?

Et stort åbent spørgsmål inden for astrofysik i de sidste halvtreds år har været oprindelsen af ​​de mest energiske partikler, vi kender, de ultrahøjenergiske kosmiske stråler (UHECR'er). Disse er elektrisk ladede partikler - protoner og atomkerner - af udenjordisk oprindelse. Deres energier er millioner af gange højere end dem fra Large Hadron Collider.

De mest energiske UHECR'er har energier på 10 ¹⁹ eV eller mere. Dette handler om den kinetiske energi af en fodbold (fodbold) sparket af en professionel spiller, koncentreret i størrelsen af ​​en atomkerne. UHECR'er er sandsynligvis lavet i kraftfulde kosmiske acceleratorer - som aktive supermassive sorte huller og supernovaer - placeret uden for Mælkevejen, i afstande på nogle få Gigaparsec (109 parsec ~ 10 ¹³ km), langt ude i det observerbare univers. Imidlertid, trods vores indsats, ingen individuel kilde til kosmiske stråler er blevet identificeret indtil videre.

Årsagen er todelt. Først, fordi kosmiske stråler er elektrisk ladede, de bøjes af de magnetiske felter, der findes i det intergalaktiske rum og inde i Mælkevejen. Som resultat, den retning, hvormed de ankommer til Jorden, peger ikke tilbage på deres oprindelse. Sekund, under deres rejse til Jorden, UHECR'er interagerer tilfældigt med kosmiske fotonfelter, der gennemsyrer universet - især, med den kosmiske mikrobølgebaggrund. I interaktionerne, UHECR'er er enten fuldstændig ødelagt - og ankommer derfor aldrig til Jorden - eller mister en betydelig mængde energi - hvilket yderligere forværrer deres magnetiske bøjning.

Heldigvis, de samme interaktioner producerer også sekundære ultrahøjenergi-neutrinoer som et biprodukt. Dem kan vi bruge som en proxy til at finde UHECRs kilder og egenskaber.

Ultra-høj-energi neutrinoer

Neutrinoer er elementære partikler med unikke egenskaber:de er lette, elektrisk neutral, og næppe interagerer med stof eller fotoner. Det gør det svært at opdage dem. Men det betyder også, at i modsætning til kosmiske stråler, ultra-højenergi neutrinoer bøjes ikke af magnetiske felter, de ødelægges heller ikke eller mister energi i interaktioner med kosmiske fotoner. Fordi universet ikke er uigennemsigtigt for dem, de er i stand til at nå Jorden selv ved de højeste energier, og fra de fjerneste steder.

Neutrinoer arver omkring 5% af energien fra deres forældre UHECR'er. Derfor, neutrinoer af energier omkring 10 ¹⁹ eV (10 EeV, med 1 EeV =10 ¹⁸ eV) er skabt ud fra UHECR'er af energier 20 gange højere, som ikke når Jorden, medmindre de er produceret i nærheden. Derfor, ved at studere EeV neutrinoer, vi studerer indirekte 200-EeV kosmiske stråler, i slutningen af ​​det observerede kosmiske stråleenergispektrum. Fordi disse kosmiske stråler sandsynligvis ikke når Jorden, neutrinoer er den eneste levedygtige måde at studere dem og deres kilder på.

Ultra-højenergi-neutrinoer produceret i samspillet mellem UHECR'er med den kosmiske mikrobølgebaggrund på vej til Jorden, kaldes kosmogene neutrinoer (se figur 1). Deres energispektrum koder information om deres overordnede UHECR'er - især, deres energifordelingsmassesammensætning, og den maksimale energi, de når. Kosmogene neutrinoer bærer også information om populationen af ​​UHECR-kilder - deres taltæthed og afstande - som kan hjælpe med at indsnævre listen over kandidat-UHECR-kildeklasser. Ud over kosmogene neutrinoer, ultrahøjenergi-neutrinoer kan også produceres i interaktioner, der finder sted inde i UHECR-kilderne. Disse neutrinoer, i modsætning til kosmogene, ville pege tilbage til individuelle kilder, når de blev opdaget på Jorden, så de er i stand til at afsløre individuelle UHECR-kilder.

Endnu, indtil nu, ultrahøj-energi neutrinoer har unddraget sig detektion. I de seneste år, det er blevet klart, at deres flux sandsynligvis er så lav, at der er behov for en stor neutrino-detektor - større end dem, der findes i øjeblikket - for at opdage og studere dem. GRAND er sådan en detektor og er specielt designet til at tackle denne udfordring.

GRAND:Et ambitiøst næste-generations observatorium af ultrahøj energi

GRAND er en ambitiøs næste generations storskala neutrino-detektor specielt designet til at opdage ultra-højenergi-neutrinoer, selvom deres flux er meget lav. Det vil opnå dette ved at bruge omfattende rækker af radioantenner til at detektere de forskellige radiosignaler lavet af ultrahøjenergi-neutrinoer, der interagerer i jordens atmosfære.

Neutrinoer interagerer normalt svagt med stof og er i stand til at rejse gennem Jorden uden at blive stoppet. Imidlertid, sandsynligheden for, at neutrinoer interagerer med stof, vokser med deres energi. Derfor, ultrahøjenergi-neutrinoer, der ankommer til Jorden, har en betydelig chance for at interagere under jorden, inde i Jorden.

Når en af ​​de tre kendte typer neutrinoer - "tau neutrinoer" - interagerer under jorden, det producerer en kortlivet partikel - en "tau lepton" - der kommer ud i atmosfæren. der, det henfalder og skaber et byge af nye partikler, inklusive mange milliarder elektroner og positroner, under påvirkning af jordens magnetfelt, udsende et impulsivt radiosignal i MHz-frekvensområdet. Dette signal kan detekteres ved hjælp af ret simple antenner, der er følsomme i 50-200 MHz-regimet. Dette er detektionsprincippet for GRAND; det er illustreret i figur 2.

Fordi den forventede flux af neutrinoer med ultrahøj energi er meget lav, vi har brug for en enorm detektor for at øge chancerne for opdagelse. Derfor, GRAND er designet til at dække et samlet areal på 200, 000 km ² med antenner, gør det til verdens største radioarray. I øvrigt, GRAND vil være følsom over for lignende radiosignaler skabt af ultra-højenergi kosmiske stråler og gammastråler, gør det til et alsidigt observatorium med ultrahøj energi, ikke kun en neutrinodetektor.

Årevis, teknikken til radiodetektering af ultrahøjenergipartikler er blevet udforsket af andre eksperimenter, som Pierre Auger Observatory og LOFAR. Imidlertid, det store omfang af GRAND repræsenterer en logistisk udfordring. Vi vil møde det ved at bygge GRAND i stadier af gradvist større arrays. På hvert trin, de videnskabelige mål og forskning og udvikling (F&U) vil gå hånd i hånd.

I øjeblikket, GRANDProto300, en 300-antenne konstruktion array, er under opførelse nær byen LengHu i QingHai-provinsen i Kina. Det vil allerede være følsomt nok til at studere de overgangsenergier, hvor oprindelsen af ​​de observerede kosmiske stråler begynder at blive domineret af ekstragalaktiske kilder. Den vil også søge efter forbigående radiosignaler fra astrofysiske begivenheder såsom hurtige radioudbrud og gigantiske radioimpulser.

Den næste fase, GRAND10k, vil bestå af 10, 000 antenner. Det vil være den første etape af GRAND, der er stor nok til at give den første chance for at opdage ultrahøjenergi-neutrinoer. Byggeriet af GRAND10k forventes at starte om cirka fem år. GRAND10k vil også detektere rekordantal af ultrahøjenergi kosmiske stråler og opnå den bedste følsomhed for ultrahøjenergi gammastråler.

Finalen, målfase, GRAND200k vil bestå af 200, 000 antenner. Disse antenner vil blive sat op i flere (ca. 20) forskellige "hotspots, " det er, gunstige, radiostøjsvage steder i verden. På dette tidspunkt, GRAND vil nå sit fulde fysikpotentiale, især, den bedste følsomhed over for ultrahøjenergi neutrinoer. GRAND200k er planlagt til 2030'erne. Den omfattende videnskabscase og udfordrende forskning og udvikling, der kræves for at skabe GRAND, tiltrækker forskere fra forskellige lande til at arbejde sammen. Skridt til at formalisere GRAND organisationsstrukturen gennem Memoranda of Understanding mellem forskellige institutter er ved at blive udarbejdet. Ud over, QingHai-regeringen sørger for den nødvendige infrastruktur, og den sikrer, at GRAND10K-stedet vil være fri for menneskeskabte baggrundskilder. Ud over at bringe stor videnskab, GRAND kan også blive et succesfuldt eksempel på et virkelig verdensomspændende videnskabeligt samarbejde under kinesisk ledelse.