Někdy se v astronomii zkratka pro projekt hodí obzvlášť dobře. To by byl absolutně případ obřího rádiového pole pro detekci neutrin, které doufá, že se ve snaze měřit ultra-vysokoenergetická tau-neutrina zvětší až na velikost 200 000 km2. Je to ambiciózní? Ano, ale to lidstvu ve skutečnosti nebrání v průzkumu, kdy chce.
Projekt je duchovním dítětem GRAND Collaboration, kterou pořádá CNRS, Francesovo centrum pro vědecký výzkum. Collaboration již má za sebou několik workshopů a vypracovala plán, jak dosáhnout skutečně ambiciózního rozsahu. Abychom porozuměli cestovní mapě, je nejprve užitečné porozumět tomu, co projekt hledá.
GRAND bude hledat takzvaná ultravysokoenergetická neutrina. Tato neutrina hrají velkou roli ve standardním modelu částicové fyziky, ale zatím se vyhýbají detekci na energetických úrovních, kde jsou primárně předpovídány. Mohou pocházet ze dvou zdrojů. První je přímo z ultravysokoenergetického (UHE) kosmického záření, zatímco druhý je, když kosmické záření UHE interaguje s kosmickým mikrovlnným pozadím, které prostupuje vesmír.
Video popisující některé z kosmických paprsků s nejvyšší energií, jaké kdy byly detekovány a které by mohly být zdrojem neutrin, která bude GRAND hledat.
Poděkování: Odhalený kanál YouTube
Specifický typ neutrina, který GRAND hledá, se nazývá tau-neutrino. Nejsou přímým výsledkem výše popsaných událostí tvorby neutrin, ale jsou následnou formou neutrin typu mion a elektron, které tyto události vytvářejí. Jako takové by některé z těchto částic „oscilovaly“ do tau-neutrin.
Důvod, proč jsou tau-neutrina zajímavá, je ten, že mají „tak akorát“ šanci, že budou detekována. V podstatě by se vědci projektu spoléhali na relativně vysokou pravděpodobnost, že neutrina UHE interagují s běžnou hmotou. Ze tří typů neutrinového UHE kosmického záření se elektron jednoduše zasekne v jakékoli běžné hmotě, se kterou interaguje, zatímco mion pokračuje v cestování běžnou hmotou, i když s ní interaguje. „Sladkým místem“ detekce je tau-neutrino, které interaguje s běžnou hmotou a rozpadá se do vzdálenosti asi 50 km od místa, kde interaguje s běžnou hmotou.
Video popisující, jak typy neutrin mezi sebou oscilují.
Kredit: Youtube kanál MinutePhysics
Dalekohled GRAND dokáže tento rozpad zachytit a bude k tomu speciálně umístěn. Termín pro rozpad takového tau-neutrina se nazývá „vzduchová sprcha“, kde je pak tau-neutrino detekovatelné. Nejprve však musí interagovat s nějakou formou normální hmoty a jakou lepší hmotu nebo normální hmotu máme než Zemi samotnou.
Myšlenka použití Země k vytvoření „vzduchové sprchy“ tau-neutrin není nová, ale vytvoření četných polí v horském terénu, aby bylo možné důsledně zjišťovat, že rozpad je základem toho, co se GRAND Collaboration pokouší udělat se svým dalekohledem. . Snaží se zachytit rozpad tau-neutrin, která sebrala několik kilometrů zemské kůry a náhodou se rozkládají spíše v atmosféře než hluboko pod zemí.
Grafika z dokumentu popisujícího GRAND, který ukazuje různé typy neutrin a jak bude „vzduchová sprcha“ použita k jejich detekci.
Kredit: Sijbrand de Jong / GRAND Collaboration
K provedení této detekce bude pole využívat mnoho speciálně navržených zařízení. Konkrétně by se jednalo o 200 000 kusů speciálně navrženého vybavení pro dokončené pole.
To neznamená, že projekt má v úmyslu pokrýt oblast 200 000 km2 (třikrát větší než Česká republika, kde nedávno uspořádali virtuální setkání) detekčním zařízením. Jednoduše by potřebovali jednu detekční stanici na km čtvereční.
Představte prototyp sběrače dat a transceiveru pro systém GRAND
Kredit: Sijbrand de Jong / GRAND Collaboration
Každá detekční stanice se skládá ze speciálně navržené antény, zesilovače a souvisejícího hardwaru pro sběr dat. Projektový tým vyvinul raný prototyp, ale zdůrazňuje, že musí ujít dlouhou cestu, pokud jde o náklady a odolnost, než bude jejich prototyp připraven k plnému nasazení na 200 000 místech.
To je místo, kde přichází plán, na kterém Collaboration pracuje. Tým již obdržel přibližně 160 000 EUR a dokončil sadu 35 propojených prototypů. V roce 2020 se pustili do prototypového programu s názvem GRANDProto300 s finanční částkou 1,6 EUR na pokrytí plochy 300 km2 v prototypové soupravě. Během příštích 5-10 let doufají, že sníží náklady na kompletní anténu a systém sběru dat na přibližně 500 USD. Tato cena by umožnila kompletní realizaci celého projektu, s 20 hotspoty, každý s jednou anténou na každý z 10 000 km, za celkovou cenu 200 milionů EUR.
Grand Roadmap podrobně popisující plány projektu na dalších 10+ let.
Kredit: Sijbrand de Jong / GRAND Collaboration
Projekt GRAND je jistě ambiciózní, ale mohl by odpovědět na některé velmi zajímavé otázky týkající se standardního modelu. Tým dokonce poukazuje na to, že pokud nezjistí žádné z těchto rozpadajících se tau-neutrin, je to samo o sobě revoluční zjištění pro standardní model a podnítilo by to přehodnocení toho, jak tato neutrina fungují.
Ještě zajímavější je, že pokud máte zájem posouvat hranice experimentální fyziky částic, tým hledá nové spolupracovníky a uvítal by další pomoc, když dosáhnou svého odvážného cíle. Pokud nic jiného, všichni noví spolupracovníci si mohou být jisti, že budou pracovat s týmem, který ví, jak označit astronomické projekty.
Další informace:
arXiv: Giant Radio Array pro detekci neutrin (GRAND)
CNRS: Skvělá spolupráce
VEN: Neutrina byla detekována s tak vysokou energií, že je standardní model nedokáže vysvětlit