Il lungo cercato, gli sfuggenti neutrini ad altissima energia, particelle simili a fantasmi che percorrono distanze su scala cosmologica, sono la chiave per comprendere l'Universo alle più alte energie. Rilevarli è impegnativo, ma il Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND), un rivelatore di neutrini di nuova generazione è progettato per trovarli.

Un mistero vecchio di decenni:da dove provengono le particelle più energetiche?

Una delle principali questioni aperte in astrofisica negli ultimi cinquant'anni è stata l'origine delle particelle più energetiche a noi note, i raggi cosmici ad altissima energia (UHECR). Queste sono particelle caricate elettricamente, protoni e nuclei atomici, di origine extraterrestre. Le loro energie sono milioni di volte superiori a quelle del Large Hadron Collider.

Gli UHECR più energetici hanno energie di 10 ¹⁹ eV o più. Si tratta dell'energia cinetica di un pallone da calcio (pallone da calcio) calciato da un giocatore professionista, concentrato nelle dimensioni di un nucleo atomico. Gli UHECR sono probabilmente realizzati in potenti acceleratori cosmici, come buchi neri supermassicci attivi e supernove, situati al di fuori della Via Lattea, a distanze di pochi Gigaparsec (109 parsec ~ 10 ¹³ km), negli estremi confini dell'Universo osservabile. Però, nonostante i nostri sforzi, finora non è stata identificata alcuna fonte individuale di raggi cosmici.

Il motivo è duplice. Primo, perché i raggi cosmici sono caricati elettricamente, sono piegati dai campi magnetici che esistono nello spazio intergalattico e all'interno della Via Lattea. Di conseguenza, la direzione con cui arrivano sulla Terra non punta alla loro origine. Secondo, durante il loro viaggio sulla Terra, Gli UHECR interagiscono casualmente con i campi di fotoni cosmici che permeano l'Universo, in particolare, con lo sfondo cosmico a microonde. Nelle interazioni, Gli UHECR vengono completamente distrutti e quindi non arrivano mai sulla Terra o perdono una quantità significativa di energia, il che aggrava ulteriormente la loro flessione magnetica.

Fortunatamente, le stesse interazioni producono anche neutrini secondari ad altissima energia come sottoprodotto. Quelli che possiamo usare come proxy per trovare le fonti e le proprietà degli UHECR.

Neutrini ad altissima energia

I neutrini sono particelle elementari con proprietà uniche:sono leggere, elettricamente neutro, e difficilmente interagiscono con la materia o i fotoni. Questo rende difficile rilevarli. Ma significa anche che, a differenza dei raggi cosmici, i neutrini ad altissima energia non sono piegati dai campi magnetici, né vengono distrutti o perdono energia nelle interazioni con i fotoni cosmici. Perché l'Universo non è opaco per loro, sono in grado di raggiungere la Terra anche alle più alte energie, e dalle località più lontane.

I neutrini ereditano circa il 5% dell'energia dei loro genitori UHECR. Perciò, neutrini di energie intorno a 10 ¹⁹ eV (10 EeV, con 1 EeV =10 ¹⁸ eV) sono creati da UHECR di energie 20 volte superiori, che non raggiungono la Terra, a meno che non siano prodotti nelle vicinanze Pertanto, studiando i neutrini EeV, studiamo indirettamente i raggi cosmici da 200 EeV, alla fine dello spettro energetico dei raggi cosmici osservato. Poiché è improbabile che questi raggi cosmici raggiungano la Terra, i neutrini forniscono l'unico modo praticabile per studiarli e le loro fonti.

Neutrini ad altissima energia prodotti nelle interazioni degli UHECR con il fondo cosmico a microonde in rotta verso la Terra, sono chiamati neutrini cosmogenici (vedi Figura 1). Il loro spettro energetico codifica le informazioni sui loro genitori UHECR, in particolare, la loro composizione in massa di distribuzione dell'energia, e la massima energia che raggiungono. I neutrini cosmogenici trasportano anche informazioni sulla popolazione di sorgenti UHECR, la loro densità numerica e le distanze, che possono aiutare a restringere l'elenco delle classi di sorgenti UHECR candidate. Oltre ai neutrini cosmogenici, i neutrini ad altissima energia possono anche essere prodotti in interazioni che avvengono all'interno delle sorgenti UHECR. Questi neutrini, a differenza di quelli cosmogenici, farebbe riferimento a singole fonti quando rilevato sulla Terra, quindi sono in grado di rivelare singole fonti UHECR.

Ancora, finora, i neutrini ad altissima energia sono sfuggiti al rilevamento. Negli ultimi anni, è diventato chiaro che il loro flusso è probabilmente così basso che è necessario un grande rivelatore di neutrini, più grande di quelli attualmente esistenti, per scoprirli e studiarli. GRAND è un rivelatore di questo tipo ed è progettato appositamente per affrontare questa sfida.

GRAND:un ambizioso osservatorio di nuova generazione di energie ultra elevate

GRAND è un ambizioso rivelatore di neutrini su larga scala di nuova generazione appositamente progettato per scoprire neutrini ad altissima energia, anche se il loro flusso è molto basso. Raggiungerà questo obiettivo utilizzando vasti array di antenne radio per rilevare i distinti segnali radio prodotti dai neutrini ad altissima energia che interagiscono nell'atmosfera terrestre.

I neutrini di solito interagiscono debolmente con la materia e sono in grado di viaggiare attraverso la Terra senza essere fermati. Però, la probabilità che i neutrini interagiscano con la materia cresce con la loro energia. Quindi, i neutrini ad altissima energia che arrivano sulla Terra hanno una significativa possibilità di interagire sottoterra, dentro la Terra.

Quando uno dei tre tipi conosciuti di neutrini - "tau neutrini" - interagisce sottoterra, produce una particella di breve durata - un "leptone tau" - che esce nell'atmosfera. Là, decade e crea una pioggia di nuove particelle, compresi molti miliardi di elettroni e positroni che, sotto l'influenza del campo magnetico terrestre, emettono un segnale radio impulsivo nella gamma di frequenza MHz. Questo segnale può essere rilevato utilizzando antenne piuttosto semplici sensibili nel regime di 50-200 MHz. Questo è il principio di rilevamento di GRAND; è illustrato in Figura 2.

Poiché il flusso atteso di neutrini ad altissima energia è molto basso, abbiamo bisogno di un enorme rilevatore per aumentare le possibilità di rilevamento. Perciò, GRAND è progettato per coprire un'area totale di 200, 000 km ² con antenne, rendendolo il più grande array radiofonico del mondo. Inoltre, GRAND sarà sensibile a segnali radio simili creati da raggi cosmici e raggi gamma ad altissima energia, rendendolo un versatile osservatorio ad altissima energia, non solo un rivelatore di neutrini.

Per anni, la tecnica della rivelazione radio di particelle ad altissima energia è stata esplorata da altri esperimenti, come l'Osservatorio Pierre Auger e LOFAR. Però, la vastità di GRAND rappresenta una sfida logistica. Lo incontreremo costruendo GRAND in fasi di array progressivamente più grandi. In ogni fase, gli obiettivi scientifici e la ricerca e sviluppo (R&S) andranno di pari passo.

Attualmente, GRANDProto300, un array ingegneristico di 300 antenne, è in costruzione vicino alla città di LengHu nella provincia cinese di QingHai. Sarà già abbastanza sensibile studiare le energie di transizione alle quali l'origine dei raggi cosmici osservati inizia ad essere dominata da sorgenti extragalattiche. Cercherà anche segnali radio transitori da eventi astrofisici come lampi radio veloci e impulsi radio giganti.

La fase successiva, GRAND10k, sarà composto da 10, 000 antenne. Sarà il primo stadio di GRAND abbastanza grande da fornire la prima possibilità di rilevare neutrini ad altissima energia. La costruzione di GRAND10k dovrebbe iniziare tra circa cinque anni. GRAND10k rileverà anche un numero record di raggi cosmici ad altissima energia e raggiungerà la migliore sensibilità per i raggi gamma ad altissima energia.

Il finale, fase di destinazione, GRAND200k sarà composto da 200, 000 antenne. Queste antenne saranno installate in diversi (circa 20) diversi "hotspot, " questo è, favorevole, luoghi radio-silenziosi nel mondo. In questa fase, GRAND raggiungerà il suo pieno potenziale fisico, in particolare, la migliore sensibilità ai neutrini ad altissima energia. GRAND200k è previsto per il 2030. Il ricco caso scientifico e l'impegnativa ricerca e sviluppo necessari per creare GRAND stanno attirando scienziati di diversi paesi a lavorare insieme. Si stanno preparando i passi per formalizzare la struttura organizzativa GRAND attraverso protocolli d'intesa tra i diversi istituti. Inoltre, il governo di QingHai sta fornendo l'infrastruttura necessaria e garantisce che il sito GRAND10K sarà privo di fonti di fondo create dall'uomo. Oltre a portare grande scienza, GRAND potrebbe anche diventare un esempio di successo di una collaborazione scientifica veramente mondiale sotto la guida cinese.