Gran conjunto de radiotelescopios para la detección de neutrinos

El Giant Radio Array for Neutrino Detection ( GRAND ) es un detector a gran escala propuesto para recolectar partículas cósmicas de ultra alta energía, como rayos cósmicos , neutrinos y fotones con energías superiores a ^10¹⁷ eV . Este proyecto busca desentrañar el misterio de su origen y las primeras etapas del universo. La propuesta, formulada por un grupo internacional de investigadores, contempla la instalación de una red de 200 000 receptores en cadenas montañosas de todo el mundo.

El detector GRAND buscaría neutrinos , partículas exóticas emitidas por algunos agujeros negros en el centro de las galaxias. Estos neutrinos podrían ayudar a los astrónomos a encontrar la fuente de otras partículas energéticas llamadas rayos cósmicos de ultra alta energía . Cuando los neutrinos llegan a la Tierra, a menudo colisionan con partículas en el aire o en el suelo, creando cascadas de partículas secundarias. Estas partículas secundarias pueden ser captadas por las antenas de radio, lo que permite a los investigadores calcular la trayectoria de los neutrinos iniciales y rastrearlos hasta su fuente. ^{[ 1 ] [ 2 ]} El concepto se publicó por primera vez en 2017. ^{[ 3 ]}

El gigantesco conjunto de detectores de radio constaría de 200 000 antenas de bajo costo en grupos de 10 000, distribuidas en casi 200 000 kilómetros cuadrados (77 000 millas cuadradas ) en diferentes ubicaciones alrededor del mundo. ^{[ 2 ]} Esto lo convertiría en el detector más grande del mundo. La construcción, instalación y conexión en red de las 200 000 antenas costaría aproximadamente 226 millones de dólares estadounidenses , ^{[ 1 ]} sin incluir el precio del alquiler del terreno y la mano de obra. ^{[ 4 ]}   

La estrategia de GRAND consiste en detectar la emisión de radio proveniente de las lluvias de partículas que se desarrollan en la atmósfera terrestre como resultado de la interacción de rayos cósmicos de ultra alta energía (UHE), rayos gamma y neutrinos. ^{[ 5 ]} Neutrinos tau astrofísicos ( ν_τ ) puede detectarse a través deextensas cascadas atmosféricas(EAS) inducidas portau(τ ⁻) se desintegra en la atmósfera. ^{[ 3 ]} La desintegración tau de corta duración en la atmósfera genera una EAS que emite emisiones electromagnéticas medibles hasta frecuencias de cientos de MHz . ^{[ 3 ]} Se prevé que las antenas operen en la  banda de 60-200 MHz para evitar el ruido de fondo de onda corta en frecuencias más bajas. ^{[ 3 ]}

Cada antena individual tiene un diseño simple de pajarita , con 3 arcos perpendiculares y un brazo vertical adicional para muestrear las tres direcciones de polarización . ^{[ 5 ]} Cada antena está montada en un único poste de 5 metros de altura, y cada antena en la cuadrícula está espaciada a 1  km dentro de una cuadrícula cuadrada. Si se construye el conjunto completo de 200 000 antenas, GRAND alcanzaría una sensibilidad para todos los sabores de 4 × 10 ⁻¹⁰ GeV cm ⁻² s ⁻¹ sr ⁻¹ por encima de 5 × 10 ¹⁷ eV. Debido a su resolución angular subgradiente, GRAND también buscará fuentes puntuales de neutrinos UHE, tanto estables como transitorios, lo que podría dar inicio a la astronomía de neutrinos UHE, permitiendo el descubrimiento y seguimiento de un gran número de transitorios de radio, ráfagas de radio rápidas , pulsos de radio gigantes y estudios precisos de la época de la reionización . ^{[ 5 ]}

Los investigadores estiman que GRAND podría permitir no solo la detección de neutrinos, sino también la diferenciación de los tipos de fuentes, como cúmulos de galaxias con fuentes centrales, púlsares recién nacidos de rápida rotación , núcleos galácticos activos y remanentes de estallidos de rayos gamma . ^{[ 3 ]}

Se están llevando a cabo simulaciones y trabajos experimentales sobre el desarrollo tecnológico y las estrategias de rechazo de fondo. La primera fase se llama GRANDProto35, que incluye 35 antenas y 24 centelleadores , desplegados en las montañas Tian Shan en China. ^{[ 3 ]} Si se observa un pulso simultáneamente en las señales de tres o más centelleadores, las señales se registran. A octubre de 2018, GRANDProto35 se encuentra en fase de puesta en marcha. ^{[ 5 ]} Hasta ahora, el sistema alcanza una eficiencia de detección del 100 % para tasas de disparo de hasta 20 kHz .

El siguiente paso está previsto para 2020 y consiste en una instalación específica llamada GRANDProto300 dentro de un área de 300 kilómetros cuadrados (120 millas cuadradas ) . ^{[ 3 ]} El diseño base es una cuadrícula cuadrada con un espaciado entre antenas de 1 kilómetro (0,62 millas) , al igual que en las etapas posteriores. Dado que GRANDProto300 no será lo suficientemente grande como para detectar neutrinos cosmogénicos, su viabilidad se probará utilizando en su lugar extensas cascadas atmosféricas iniciadas por rayos cósmicos muy inclinados, lo que brindará la oportunidad de realizar investigación científica sobre rayos cósmicos. ^{[ 5 ]} El sitio se ubicaría en las provincias chinas de Xinjiang, Mongolia Interior, Yunnan y Gansu. ^{[ 5 ]} Si se obtiene financiación, las fases posteriores construirían GRAND10k en 2025 y, finalmente, GRAND200k (200 000 receptores) en la década de 2030. ^{[ 5 ]}   

• Astronomía de alta energía
• Lista de experimentos con neutrinos
• Astronomía multimensajero
• Astronomía de neutrinos