Le longtemps recherché, les neutrinos insaisissables à ultra haute énergie - des particules semblables à des fantômes qui parcourent des distances à l'échelle cosmologique - sont essentiels pour comprendre l'Univers aux énergies les plus élevées. Les détecter est difficile, mais le Giant Radio Array pour la détection des neutrinos (GRAND), un détecteur de neutrinos de nouvelle génération est conçu pour les trouver.

Un mystère vieux de plusieurs décennies :d'où viennent les particules les plus énergétiques ?

Une question ouverte majeure en astrophysique depuis cinquante ans est l'origine des particules les plus énergétiques que l'on connaisse, les rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR). Ce sont des particules chargées électriquement - des protons et des noyaux atomiques - d'origine extraterrestre. Leurs énergies sont des millions de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

Les UHECR les plus énergétiques ont des énergies de 10 ¹⁹ eV ou plus. Il s'agit de l'énergie cinétique d'un ballon de football (ballon de football) botté par un joueur professionnel, concentré dans la taille d'un noyau atomique. Les UHECR sont probablement fabriqués dans de puissants accélérateurs cosmiques, comme les trous noirs supermassifs actifs et les supernovae, situés en dehors de la Voie lactée, à des distances de quelques Gigaparsecs (109 parsec ~ 10 ¹³ km), dans les confins de l'Univers observable. Cependant, malgré nos efforts, aucune source individuelle de rayons cosmiques n'a été identifiée jusqu'à présent.

La raison est double. D'abord, parce que les rayons cosmiques sont chargés électriquement, ils sont courbés par les champs magnétiques qui existent dans l'espace intergalactique et à l'intérieur de la Voie lactée. Par conséquent, la direction dans laquelle ils arrivent sur Terre ne renvoie pas à leur origine. Seconde, lors de leur voyage sur Terre, Les UHECR interagissent de manière aléatoire avec les champs de photons cosmiques qui imprègnent l'Univers, notamment, avec le fond cosmique des micro-ondes. Dans les interactions, Les UHECR sont soit complètement détruits - et n'arrivent donc jamais sur Terre - soit perdent une quantité importante d'énergie - ce qui aggrave encore leur courbure magnétique.

Heureusement, les mêmes interactions produisent également des neutrinos secondaires à ultra haute énergie en tant que sous-produit. Ceux que nous pouvons utiliser comme proxy pour trouver les sources et les propriétés des UHECR.

Les neutrinos à ultra haute énergie

Les neutrinos sont des particules élémentaires aux propriétés uniques :ils sont légers, électriquement neutre, et interagissent à peine avec la matière ou les photons. Cela rend difficile leur détection. Mais cela signifie aussi que, contrairement aux rayons cosmiques, les neutrinos de très haute énergie ne sont pas courbés par les champs magnétiques, ils ne sont pas non plus détruits ou perdent de l'énergie dans les interactions avec les photons cosmiques. Parce que l'Univers ne leur est pas opaque, ils sont capables d'atteindre la Terre même aux énergies les plus élevées, et des endroits les plus éloignés.

Les neutrinos héritent d'environ 5% de l'énergie de leurs UHECR parents. Par conséquent, neutrinos d'énergies autour de 10 ¹⁹ eV (10 EeV, avec 1 EeV =10 ¹⁸ eV) sont créés à partir d'UHECR d'énergies 20 fois supérieures, qui n'atteignent pas la Terre, à moins qu'ils ne soient produits à proximité Par conséquent, en étudiant les neutrinos EeV, nous étudions indirectement les rayons cosmiques de 200 EeV, à la toute fin du spectre d'énergie des rayons cosmiques observé. Parce que ces rayons cosmiques sont peu susceptibles d'atteindre la Terre, les neutrinos constituent le seul moyen viable de les étudier ainsi que leurs sources.

Les neutrinos de très haute énergie produits dans les interactions des UHECR avec le fond diffus cosmologique en route vers la Terre, sont appelés neutrinos cosmogéniques (voir Figure 1). Leur spectre d'énergie code des informations sur leurs UHECR parents, notamment, leur composition massique de distribution d'énergie, et l'énergie maximale qu'ils atteignent. Les neutrinos cosmogéniques contiennent également des informations sur la population des sources UHECR (leur densité numérique et leurs distances) qui peuvent aider à affiner la liste des classes de sources UHECR candidates. En plus des neutrinos cosmogéniques, Les neutrinos de très haute énergie peuvent également être produits dans les interactions qui ont lieu à l'intérieur des sources UHECR. Ces neutrinos, contrairement aux cosmogéniques, pointerait vers des sources individuelles lorsqu'elles seraient détectées sur Terre, ils sont donc capables de révéler des sources UHECR individuelles.

Encore, jusque là, les neutrinos à ultra haute énergie ont échappé à la détection. Dans les années récentes, il est devenu clair que leur flux est probablement si faible qu'un grand détecteur de neutrinos, plus grand que ceux qui existent actuellement, est nécessaire pour les découvrir et les étudier. GRAND est un tel détecteur et est spécialement conçu pour relever ce défi.

GRAND :Un ambitieux observatoire nouvelle génération des ultra-hautes énergies

GRAND est un ambitieux détecteur de neutrinos à grande échelle de nouvelle génération spécialement conçu pour découvrir les neutrinos à ultra-haute énergie, même si leur flux est très faible. Il y parviendra en utilisant de vastes réseaux d'antennes radio pour détecter les signaux radio distincts émis par les neutrinos de très haute énergie qui interagissent dans l'atmosphère terrestre.

Les neutrinos interagissent généralement faiblement avec la matière et sont capables de voyager à travers la Terre sans être arrêtés. Cependant, la probabilité que les neutrinos interagissent avec la matière augmente avec leur énergie. D'où, les neutrinos de très haute énergie qui arrivent sur Terre ont une chance importante d'interagir sous terre, à l'intérieur de la Terre.

Lorsque l'un des trois types connus de neutrinos — les « neutrinos tau » — interagit sous terre, il produit une particule à courte durée de vie - un "lepton tau" - qui sort dans l'atmosphère. Là, il se désintègre et crée une pluie de nouvelles particules, comprenant plusieurs milliards d'électrons et de positons qui, sous l'influence du champ magnétique terrestre, émettent un signal radio impulsif dans la gamme de fréquences MHz. Ce signal peut être détecté à l'aide d'antennes assez simples sensibles au régime 50-200 MHz. C'est le principe de détection de GRAND; il est illustré à la figure 2.

Parce que le flux attendu de neutrinos de très haute énergie est très faible, nous avons besoin d'un énorme détecteur pour augmenter les chances de détection. Par conséquent, GRAND est conçu pour couvrir une superficie totale de 200, 000 km ² avec antennes, ce qui en fait le plus grand réseau radio au monde. De plus, GRAND sera sensible aux signaux radio similaires créés par les rayons cosmiques à ultra-haute énergie et les rayons gamma, ce qui en fait un observatoire polyvalent à ultra haute énergie, pas seulement un détecteur de neutrinos.

Pendant des années, la technique de radio-détection des particules à ultra haute énergie a été explorée par d'autres expériences, comme l'observatoire Pierre Auger et le LOFAR. Cependant, l'échelle même de GRAND représente un défi logistique. Nous y parviendrons en construisant GRAND par étapes de baies de plus en plus grandes. A chaque étape, les objectifs scientifiques et la recherche et le développement (R&D) iront de pair.

Présentement, GRANDProto300, un réseau d'ingénierie de 300 antennes, est en construction près de la ville de LengHu dans la province chinoise de QingHai. Il sera déjà suffisamment sensible pour étudier les énergies de transition à partir desquelles l'origine des rayons cosmiques observés commence à être dominée par des sources extragalactiques. Il recherchera également des signaux radio transitoires provenant d'événements astrophysiques tels que des sursauts radio rapides et des impulsions radio géantes.

L'étape suivante, GRAND10k, sera composé de 10, 000 antennes. Ce sera le premier étage de GRAND suffisamment grand pour offrir la première chance de détecter les neutrinos à ultra-haute énergie. La construction de GRAND10k devrait commencer dans environ cinq ans. GRAND10k détectera également un nombre record de rayons cosmiques à ultra-haute énergie et atteindra la meilleure sensibilité pour les rayons gamma à ultra-haute énergie.

Le final, stade cible, GRAND200k sera composé de 200, 000 antennes. Ces antennes seront installées dans plusieurs (environ 20) "hotspots" différents, " C'est, favorable, endroits radio-silencieux dans le monde. À ce stade, GRAND atteindra son plein potentiel physique, notamment, la meilleure sensibilité aux neutrinos de très haute énergie. GRAND200k est prévu pour les années 2030. Le dossier scientifique riche et la R&D exigeante nécessaires à la création de GRAND attirent des scientifiques de différents pays pour travailler ensemble. Des étapes pour formaliser la structure organisationnelle de GRAND à travers des protocoles d'accord entre différents instituts sont en cours de préparation. En outre, le gouvernement QingHai fournit l'infrastructure nécessaire et garantit que le site GRAND10K sera exempt de sources de fond artificielles. En plus d'apporter une grande science, GRAND peut également devenir un exemple réussi d'une collaboration scientifique véritablement mondiale sous la direction chinoise.