Et forslag til et neutrino-detektionsarray, der spænder over 200, 000 kvadratkilometer

Nogle gange inden for astronomi, akronymet for et projekt passer særligt godt til det. Det ville absolut være tilfældet for Giant Radio Array for Neutrino Detection, som forskere håber at skalere op til en størrelse på 200, 000 km ² i et forsøg på at måle tau-neutrinoer med ultrahøj energi. Er det ambitiøst? Ja, men det forhindrer ikke virkelig menneskeheden i at udforske, når den vil.

Projektet er udtænkt af GRAND Collaboration, hostet af CNRS, Frankrigs Center for Videnskabelig Forskning. Samarbejdet har allerede haft nogle workshops, og udviklet en køreplan for at nå deres virkelig ambitiøse skala. For at forstå køreplanen, selvom, det er først nyttigt at forstå, hvad projektet leder efter.

GRAND vil lede efter, hvad der er kendt som ultra-høj-energi neutrinoer. Disse neutrinoer spiller en stor rolle i standardmodellen for partikelfysik, men har indtil videre unddraget sig detektion på de energiniveauer, hvor de primært forudsiges. De kan komme fra to kilder. Den første er direkte fra ultrahøjenergi (UHE) kosmiske stråler, mens den anden er, når de kosmiske UHE-stråler interagerer med den kosmiske mikrobølgebaggrund, der gennemsyrer universet.

Den specifikke type neutrino, som GRAND leder efter, kaldes en tau neutrino. Disse er ikke et direkte resultat af neutrinodannelsesbegivenhederne beskrevet ovenfor, men de er en efterfølgende form for de myon- og elektronneutrinoer, som disse begivenheder skaber. Som sådan, nogle af disse partikler ville "oscillere" til tau neutrinoer.

Grunden til, at tau neutrinoer er af interesse, er, at de har en høj chance for at blive opdaget. I det væsentlige, projektets videnskabsmænd ville stole på den relativt høje sandsynlighed for, at UHE-neutrinoer interagerer med almindeligt stof. Af de tre typer neutrino skaber UHE kosmiske stråler, elektronen sætter sig simpelthen fast i et hvilket som helst almindeligt stof, den interagerer med, mens myonen fortsætter med at rejse gennem det almindelige stof. Det "søde sted" for påvisning er tau neutrinoen, som interagerer med regulært stof og henfalder inden for omkring 50 km fra interaktionsstedet.

GRAND-teleskopet kan opfange det forfald, og vil være særligt godt placeret til at gøre det. Udtrykket for henfaldet af en sådan tau neutrino kaldes en "luftbruser, " hvori tau neutrinoen så kan detekteres. Men først, det skal interagere med en form for normalt stof, og hvilken bedre masse af normalt stof har vi end Jorden selv?

Ideen om at bruge Jorden til at skabe en luftbyge af tau neutrinoer er ikke ny, men opsætning af adskillige arrays i bjergrigt terræn for konsekvent at opdage, at forfald er grundlaget for, hvad GRAND Collaboration forsøger at gøre med deres teleskop. De forsøger at fange henfaldet af tau-neutrinoer, der er skummet af et par kilometer af jordskorpen og tilfældigvis forfalder i atmosfæren i stedet for dybt under jorden.

For at udføre denne detektering, arrayet vil gøre brug af 200, 000 stykker specialdesignet udstyr til det færdige array.

Det betyder ikke, at projektet har til hensigt at dække 200 000 km ² område (tre gange størrelsen af ​​Tjekkiet, hvor de for nylig holdt et virtuelt møde) i detekteringsudstyr. De ville simpelthen have brug for en enkelt detektionsstation pr. km ² .

Hver detektionsstation består af en specialdesignet antenne, en forstærker, og noget tilhørende dataopsamlingshardware. Projektgruppen har udviklet en tidlig prototype, men påpeg, at de har en lang vej at gå med hensyn til omkostninger og robusthed, før deres prototype er klar til at blive fuldt implementeret ved 200, 000 websteder.

Det er her, samarbejdets køreplan kommer ind. Holdet har allerede modtaget omkring 160.000 € og færdiggjort et sæt af 35 forbundne prototyper. I 2020, de gik i gang med et prototypeprogram kaldet GRANDProto300 med 1,6 € i finansiering til at dække en 300 km lang ² område i prototypesæt. I løbet af de næste fem til 10 år, de håber at sænke prisen på et komplet antenne- og dataindsamlingssystem til omkring $500. Det prispunkt ville finansiere hele projektet, med 20 hotspots hver med en antenne for hver af 10, 000 km ² , til et samlet prisskilt på €200 mio.

GRAND-projektet er bestemt ambitiøst, men det kunne besvare nogle interessante spørgsmål om standardmodellen. Holdet påpeger endda, at hvis de ikke opdager nogen af ​​disse forrådnende tau neutrinoer, det er i sig selv en revolutionerende opdagelse for standardmodellen, og ville tilskynde til en genovervejelse af, hvordan disse neutrinoer fungerer.

Endnu mere interessant, hvis du tilfældigvis er interesseret i at skubbe grænserne for eksperimentel partikelfysik, teamet leder efter nye samarbejdspartnere, og ville hilse den ekstra hjælp velkommen, når de når deres dristige mål. Om ikke andet, alle nye samarbejdspartnere kan være sikre på, at de vil arbejde med et team, der ved, hvordan man brander astronomiprojekter.