O tão procurado, neutrinos indescritíveis de ultra-alta energia - partículas semelhantes a fantasmas que viajam por distâncias em escala cosmológica - são a chave para a compreensão do Universo nas energias mais altas. Detectá-los é um desafio, mas o Giant Radio Array para Neutrino Detection (GRAND), um detector de neutrino de última geração é projetado para localizá-los.

Um mistério de décadas:de onde vêm as partículas mais energéticas?

Uma das principais questões em aberto na astrofísica nos últimos cinquenta anos tem sido a origem das partículas mais energéticas conhecidas por nós, os raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECRs). Estas são partículas eletricamente carregadas - prótons e núcleos atômicos - de origem extraterrestre. Suas energias são milhões de vezes mais altas do que as do Grande Colisor de Hádrons.

Os UHECRs mais energéticos têm energias de 10 ¹⁹ eV ou mais. Trata-se da energia cinética de uma bola de futebol (bola de futebol) chutada por um jogador profissional, concentrado no tamanho de um núcleo atômico. UHECRs são provavelmente feitos em poderosos aceleradores cósmicos, como buracos negros supermassivos ativos e supernovas, localizados fora da Via Láctea, a distâncias de alguns Gigaparsecs (109 parsec ~ 10 ¹³ km), nos confins do Universo observável. Contudo, apesar de nossos esforços, nenhuma fonte individual de raios cósmicos foi identificada até agora.

A razão é dupla. Primeiro, porque os raios cósmicos são eletricamente carregados, eles são curvados pelos campos magnéticos que existem no espaço intergaláctico e dentro da Via Láctea. Como resultado, a direção com que eles chegam à Terra não aponta de volta para sua origem. Segundo, durante sua viagem à Terra, UHECRs interagem aleatoriamente com campos de fótons cósmicos que permeiam o Universo, notavelmente, com o fundo cósmico de microondas. Nas interações, Os UHECRs são completamente destruídos - e por isso nunca chegam à Terra - ou perdem uma quantidade significativa de energia - o que agrava ainda mais sua curvatura magnética.

Felizmente, as mesmas interações também produzem neutrinos secundários de ultra-alta energia como subproduto. Esses podemos usar como um proxy para encontrar as fontes e propriedades de UHECRs.

Neutrinos de energia ultra-alta

Neutrinos são partículas elementares com propriedades únicas:são leves, eletricamente neutro, e dificilmente interagem com matéria ou fótons. Isso torna difícil detectá-los. Mas também significa que, ao contrário dos raios cósmicos, neutrinos de ultra-alta energia não são dobrados por campos magnéticos, nem são destruídos ou perdem energia nas interações com os fótons cósmicos. Porque o Universo não é opaco para eles, eles são capazes de alcançar a Terra mesmo com as energias mais elevadas, e dos locais mais distantes.

Os neutrinos herdam cerca de 5% da energia de seus UHECRs pais. Portanto, neutrinos de energias em torno de 10 ¹⁹ eV (10 EeV, com 1 EeV =10 ¹⁸ eV) são criados a partir de UHECRs de energias 20 vezes maiores, que não alcançam a Terra, a menos que sejam produzidos nas proximidades. Portanto, estudando neutrinos EeV, nós estudamos indiretamente os raios cósmicos 200-EeV, bem no final do espectro de energia de raios cósmicos observado. Como esses raios cósmicos provavelmente não atingirão a Terra, os neutrinos fornecem a única maneira viável de estudá-los e suas fontes.

Neutrinos de ultra-alta energia produzidos nas interações de UHECRs com a radiação cósmica de fundo em rota para a Terra, são chamados de neutrinos cosmogênicos (ver Figura 1). Seu espectro de energia codifica informações sobre seus UHECRs pais - notavelmente, sua composição de massa de distribuição de energia, e a energia máxima que alcançam. Os neutrinos cosmogênicos também carregam informações sobre a população de fontes de UHECR - sua densidade numérica e distâncias - que podem ajudar a restringir a lista de classes de fontes de UHECR candidatas. Além de neutrinos cosmogênicos, neutrinos de ultra-alta energia também podem ser produzidos em interações que ocorrem dentro das fontes UHECR. Esses neutrinos, ao contrário dos cosmogênicos, apontaria de volta para fontes individuais quando detectado na Terra, portanto, eles são capazes de revelar fontes UHECR individuais.

Ainda, até aqui, neutrinos de ultra-alta energia escaparam à detecção. Nos últimos anos, tornou-se claro que seu fluxo é provavelmente tão baixo que um grande detector de neutrino - maior do que os que existem atualmente - é necessário para descobri-los e estudá-los. GRAND é esse detector e foi especialmente projetado para enfrentar esse desafio.

GRAND:Um ambicioso observatório da próxima geração de energias ultra-altas

GRAND é um ambicioso detector de neutrinos em grande escala de próxima geração especialmente projetado para descobrir neutrinos de ultra-alta energia, mesmo que seu fluxo seja muito baixo. Ele vai conseguir isso usando extensas matrizes de antenas de rádio para detectar os sinais de rádio distintos feitos por neutrinos de ultra-alta energia que interagem na atmosfera da Terra.

Os neutrinos normalmente interagem debilmente com a matéria e são capazes de viajar pela Terra sem serem parados. Contudo, a probabilidade de neutrinos interagirem com a matéria aumenta com sua energia. Portanto, neutrinos de ultra-alta energia que chegam à Terra têm uma chance significativa de interagir no subsolo, dentro da Terra.

Quando um dos três tipos conhecidos de neutrinos - "neutrinos tau" - interage no subsolo, ele produz uma partícula de vida curta - um "tau lepton" - que sai para a atmosfera. Lá, ele se decompõe e cria uma chuva de novas partículas, incluindo muitos bilhões de elétrons e pósitrons que, sob a influência do campo magnético da Terra, emite um sinal de rádio impulsivo na faixa de freqüência de MHz. Este sinal pode ser detectado usando antenas bastante simples, sensíveis no regime de 50-200 MHz. Este é o princípio de detecção do GRAND; está ilustrado na Figura 2.

Como o fluxo esperado de neutrinos de ultra-alta energia é muito baixo, precisamos de um detector enorme para aumentar as chances de detecção. Portanto, GRAND é projetado para cobrir uma área total de 200, 000 km ² com antenas, tornando-se a maior matriz de rádio do mundo. Além disso, GRAND será sensível a sinais de rádio semelhantes criados por raios cósmicos e raios gama de ultra-alta energia, tornando-o um observatório versátil de ultra-alta energia, não apenas um detector de neutrino.

Por anos, a técnica de detecção de rádio de partículas de ultra-alta energia foi explorada por outros experimentos, como o Observatório Pierre Auger e LOFAR. Contudo, a simples escala de GRAND representa um desafio logístico. Iremos enfrentá-lo construindo GRAND em estágios de matrizes progressivamente maiores. Em cada estágio, os objetivos científicos e a pesquisa e desenvolvimento (P&D) caminharão lado a lado.

Atualmente, GRANDProto300, uma matriz de engenharia de 300 antenas, está em construção perto da cidade de LengHu, na província de QingHai, na China. Já será sensível o suficiente para estudar as energias de transição nas quais a origem dos raios cósmicos observados começa a ser dominada por fontes extragalácticas. Ele também irá procurar sinais de rádio transitórios de eventos astrofísicos, como rajadas rápidas de rádio e pulsos de rádio gigantes.

O próximo estágio, GRAND10k, consistirá em 10, 000 antenas. Será o primeiro estágio de GRAND grande o suficiente para fornecer a primeira chance de detectar neutrinos de ultra-alta energia. A construção do GRAND10k está prevista para começar em aproximadamente cinco anos. O GRAND10k também detectará números recordes de raios cósmicos de ultra-alta energia e alcançará a melhor sensibilidade para raios gama de ultra-alta energia.

O final, estágio alvo, GRAND200k consistirá em 200, 000 antenas. Essas antenas serão instaladas em vários (aproximadamente 20) "pontos de acesso diferentes, " isso é, favorável, locais silenciosos em todo o mundo. Nesta fase, GRAND alcançará todo o seu potencial físico, notavelmente, a melhor sensibilidade para neutrinos de ultra-alta energia. GRAND200k está planejado para 2030. O rico caso de ciência e P&D desafiador necessários para criar GRAND está atraindo cientistas de diferentes países para trabalharem juntos. Passos para formalizar a estrutura organizacional GRAND por meio de Memorandos de Entendimento entre diferentes institutos estão sendo preparados. Além disso, o governo QingHai está fornecendo a infraestrutura necessária e garante que o site GRAND10K estará livre de fontes de fundo feitas pelo homem. Além de trazer grande ciência, GRAND também pode se tornar um exemplo de sucesso de uma colaboração científica verdadeiramente mundial sob a liderança chinesa.