La largamente buscada los esquivos neutrinos de energía ultra alta, partículas parecidas a fantasmas que viajan distancias de escala cosmológica, son clave para comprender el Universo a las energías más altas. Detectarlos es un desafío, pero la matriz de radio gigante para la detección de neutrinos (GRAND), un detector de neutrinos de próxima generación está diseñado para encontrarlos.

Un misterio de décadas:¿de dónde vienen las partículas más energéticas?

Una gran cuestión abierta en astrofísica durante los últimos cincuenta años ha sido el origen de las partículas más energéticas que conocemos, los rayos cósmicos de energía ultra alta (UHECR). Se trata de partículas cargadas eléctricamente —protones y núcleos atómicos— de origen extraterrestre. Sus energías son millones de veces más altas que las del Gran Colisionador de Hadrones.

Los UHECR más energéticos tienen energías de 10 ¹⁹ eV o más. Se trata de la energía cinética de un fútbol (balón de fútbol) pateado por un jugador profesional, concentrado en el tamaño de un núcleo atómico. Los UHECR probablemente se fabrican en potentes aceleradores cósmicos, como los agujeros negros supermasivos activos y las supernovas, ubicados fuera de la Vía Láctea. a distancias de unos pocos Gigaparsecs (109 parsec ~ 10 ¹³ km), en los confines del Universo observable. Sin embargo, a pesar de nuestros esfuerzos, hasta ahora no se ha identificado ninguna fuente individual de rayos cósmicos.

La razón es doble. Primero, porque los rayos cósmicos están cargados eléctricamente, están curvados por los campos magnéticos que existen en el espacio intergaláctico y dentro de la Vía Láctea. Como resultado, la dirección con la que llegan a la Tierra no apunta hacia su origen. Segundo, durante su viaje a la Tierra, Los UHECR interactúan aleatoriamente con los campos de fotones cósmicos que impregnan el Universo, en particular, con el fondo cósmico de microondas. En las interacciones, Los UHECR se destruyen por completo, por lo que nunca llegan a la Tierra, o pierden una cantidad significativa de energía, lo que agrava aún más su curvatura magnética.

Afortunadamente, las mismas interacciones también producen neutrinos secundarios de energía ultra alta como subproducto. Aquellos que podemos usar como proxy para encontrar las fuentes y propiedades de los UHECR.

Neutrinos de energía ultra alta

Los neutrinos son partículas elementales con propiedades únicas:son ligeros, eléctricamente neutral, y apenas interactúan con la materia o los fotones. Esto dificulta su detección. Pero también significa que, a diferencia de los rayos cósmicos, Los neutrinos de energía ultra alta no son doblados por campos magnéticos, tampoco se destruyen o pierden energía en interacciones con fotones cósmicos. Porque el Universo no les es opaco, son capaces de llegar a la Tierra incluso con las energías más altas, y de los lugares más lejanos.

Los neutrinos heredan aproximadamente el 5% de la energía de sus UHECR parentales. Por lo tanto, neutrinos de energías alrededor de 10 ¹⁹ eV (10 EeV, con 1 EeV =10 ¹⁸ eV) se crean a partir de UHECR de energías 20 veces superiores, que no llegan a la Tierra, a menos que se produzcan cerca Por lo tanto, mediante el estudio de neutrinos EeV, estudiamos indirectamente los rayos cósmicos de 200-EeV, al final del espectro de energía de rayos cósmicos observado. Debido a que es poco probable que estos rayos cósmicos lleguen a la Tierra, los neutrinos proporcionan la única forma viable de estudiarlos y sus fuentes.

Neutrinos de energía ultra alta producidos en las interacciones de UHECR con el fondo de microondas cósmico en ruta a la Tierra. se denominan neutrinos cosmogénicos (ver Figura 1). Su espectro de energía codifica información sobre sus UHECR padres, en particular, su distribución de energía composición de la masa, y la máxima energía que alcanzan. Los neutrinos cosmogénicos también transportan información sobre la población de fuentes UHECR (su densidad numérica y distancias) que pueden ayudar a reducir la lista de clases de fuentes UHECR candidatas. Además de los neutrinos cosmogénicos, Los neutrinos de energía ultra alta también se pueden producir en interacciones que tienen lugar dentro de las fuentes UHECR. Estos neutrinos, a diferencia de los cosmogénicos, apuntaría a fuentes individuales cuando se detecte en la Tierra, por lo que son capaces de revelar fuentes UHECR individuales.

Todavía, hasta aquí, los neutrinos de energía ultra alta han eludido la detección. En años recientes, ha quedado claro que su flujo es probablemente tan bajo que se necesita un detector de neutrinos de gran tamaño, más grande que los que existen actualmente, para descubrirlos y estudiarlos. GRAND es un detector de este tipo y está especialmente diseñado para afrontar este desafío.

GRAND:un ambicioso observatorio de energías ultraaltas de próxima generación

GRAND es un ambicioso detector de neutrinos a gran escala de próxima generación especialmente diseñado para descubrir neutrinos de energía ultra alta. incluso si su flujo es muy bajo. Lo logrará mediante el uso de extensos conjuntos de antenas de radio para detectar las distintas señales de radio producidas por neutrinos de energía ultra alta que interactúan en la atmósfera de la Tierra.

Los neutrinos normalmente interactúan débilmente con la materia y pueden viajar a través de la Tierra sin ser detenidos. Sin embargo, la probabilidad de que los neutrinos interactúen con la materia aumenta con su energía. Por eso, Los neutrinos de energía ultra alta que llegan a la Tierra tienen una probabilidad significativa de interactuar bajo tierra, dentro de la Tierra.

Cuando uno de los tres tipos conocidos de neutrinos, los "neutrinos tau", interactúa bajo tierra, produce una partícula de vida corta, un "leptón tau", que sale a la atmósfera. Allí, se descompone y crea una lluvia de nuevas partículas, incluyendo muchos miles de millones de electrones y positrones que, bajo la influencia del campo magnético de la Tierra, emiten una señal de radio impulsiva en el rango de frecuencia de MHz. Esta señal se puede detectar utilizando antenas bastante simples sensibles en el régimen de 50-200 MHz. Este es el principio de detección de GRAND; se ilustra en la Figura 2.

Debido a que el flujo esperado de neutrinos de energía ultra alta es muy bajo, necesitamos un detector enorme para aumentar las posibilidades de detección. Por lo tanto, GRAND está diseñado para cubrir un área total de 200, 000 km ² con antenas, convirtiéndolo en la matriz de radio más grande del mundo. Es más, GRAND será sensible a señales de radio similares creadas por rayos cósmicos y rayos gamma de energía ultra alta, lo que lo convierte en un observatorio versátil de energía ultra alta, no solo un detector de neutrinos.

Durante años, la técnica de radiodetección de partículas de energía ultra alta ha sido explorada por otros experimentos, como el Observatorio Pierre Auger y LOFAR. Sin embargo, la gran escala de GRAND representa un desafío logístico. Lo resolveremos construyendo GRAND en etapas de arreglos progresivamente más grandes. En cada etapa, los objetivos científicos y la investigación y el desarrollo (I + D) irán de la mano.

Ahora, GRANDProto300, una matriz de ingeniería de 300 antenas, está en construcción cerca de la ciudad de LengHu en la provincia de QingHai de China. Ya será lo suficientemente sensible como para estudiar las energías de transición en las que el origen de los rayos cósmicos observados comienza a ser dominado por fuentes extragalácticas. También buscará señales de radio transitorias de eventos astrofísicos como ráfagas de radio rápidas y pulsos de radio gigantes.

La siguiente etapa, GRAND10k, constará de 10, 000 antenas. Será la primera etapa de GRAND lo suficientemente grande como para brindar la primera oportunidad de detectar neutrinos de energía ultra alta. Se espera que la construcción de GRAND10k comience en aproximadamente cinco años. GRAND10k también detectará un número récord de rayos cósmicos de energía ultra alta y logrará la mejor sensibilidad para los rayos gamma de energía ultra alta.

El final, etapa objetivo, GRAND200k constará de 200, 000 antenas. Estas antenas se instalarán en varios (aproximadamente 20) puntos de acceso diferentes, " es decir, favorable, ubicaciones radio silenciosas en el mundo. En este punto, GRAND alcanzará todo su potencial físico, notablemente, la mejor sensibilidad a los neutrinos de energía ultra alta. GRAND200k está previsto para la década de 2030. El rico caso científico y la desafiante investigación y desarrollo necesarios para crear GRAND están atrayendo a científicos de diferentes países para trabajar juntos. Se están preparando los pasos para formalizar la estructura organizacional GRAND a través de Memorandos de Entendimiento entre diferentes institutos. Además, el gobierno de QingHai está proporcionando la infraestructura necesaria y asegura que el sitio GRAND10K estará libre de fuentes de fondo creadas por el hombre. Además de aportar una gran ciencia, GRAND también puede convertirse en un ejemplo exitoso de una colaboración científica verdaderamente mundial bajo el liderazgo chino.