China wählt den Standort für den TRIDENT-Neutrinodetektor

China baut einen neuen Neutrino-Detektor namens TRIDENT, das Tropical Deep-sea Neutrino Telescope. Sie bauen es im Südchinesischen Meer, nahe dem Äquator. Dieses Neutrinoteleskop der nächsten Generation wird über eine verbesserte Empfindlichkeit verfügen und dazu beitragen, das Rätsel um die kosmische Strahlung und ihren Ursprung aufzuklären.

Kosmische Neutrinos sind schnelle Boten aus dem fernen Kosmos. Sie sind sehr schwer zu erkennen und können nur in den seltenen Fällen entdeckt werden, in denen sie mit anderer Materie interagieren.

A neues Papier In Naturastronomie stellt Pläne für Chinas neues Neutrino-Observatorium vor. Es trägt den Titel „Ein Neutrino-Teleskop mit mehreren Kubikkilometern im westlichen Pazifik“ und der Hauptautor ist Ziping Ye, Postdoktorand in der Abteilung für Teilchen und Kernenergie am Tsung-Dao Lee-Institut der Shanghai Jiao Tong University in Shanghai. China.

„Neutrino“ bedeutet „kleines Neutrales“, und sofern Sie kein Physiker sind, ist eine Einführung in Neutrinos hilfreich.

Neutrinos – und es gibt drei Unterarten – wurden im frühen 20. Jahrhundert entdeckt. Sie haben keine elektrische Ladung und eine verschwindend kleine Masse. Tatsächlich dachten einige Physiker zunächst, sie seien masselos. Ohne Ladung interagieren sie nicht mit der elektromagnetischen Kraft. Sie interagieren nur durch die Schwerkraft und die schwache Kernkraft.

Neutrinos passieren die Erde direkt. Die meisten von ihnen stammen von der Sonne, die jeden der Sonne zugewandten Quadratmittelpunkt der Erde bombardiert: 65 Milliarden davon pro Sekunde. Sie haben auch andere Quellen, darunter Supernovae, Kernreaktoren und andere Dinge, einschließlich des Urknalls.

Aber die Erforschung kosmologischer Neutrinos ist für uns am wichtigsten, und genau darum geht es in Chinas neuem TRIDENT-Observatorium. Kosmologische Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf Atome trifft.

Neutrinos sind ausweichend, und das bedeutet, dass Detektoren sie überlisten müssen. Sie werden in tiefen, verlassenen Minen, tief im Ozean und sogar tief im antarktischen Eis platziert. Diese abgeschiedenen Observatorien spüren selbst keine Neutrinos. Stattdessen beobachten sie das Ergebnis der Wechselwirkung des seltenen Neutrinos mit regulärer Materie.

Neutrinos mögen ausweichend sein, aber ihr Ausweichen wirkt sich auch zu unseren Gunsten aus.

Wissenschaftler sind bestrebt, die Quellen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung zu bestimmen. Sie können dies tun, indem sie Neutrinos nachweisen, die von extragalaktischen Objekten wie den Jets, die aus aktiven galaktischen Kernen (AGN) herausschießen, auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Da Neutrinos selten mit irgendetwas interagieren, bewegen sie sich auf langen, geraden Wegen, selbst durch dichte Umgebungen. ohne auszuweichen. Wenn Sie sie entdecken können, können Sie sie bis zu ihren Quellen zurückverfolgen.

Die meisten Neutrino-Observatorien bestehen aus riesigen Mengen Wasser oder Eis. Die Observatorien bestehen aus Reihen miteinander verbundener Detektoren. Schauen Sie sich als Beispiel das IceCube-Neutrino-Observatorium an.

Chinas neues TRIDENT-Neutrino-Observatorium wird aus 1.211 Strings bestehen, die jeweils 20 hDOMs, hybride digitale optische Module, enthalten, die vertikal 30 m voneinander entfernt sind und von etwa 2.800 m bis 3.400 m unter dem Meeresspiegel reichen.

Das Volumen ist ein Schlüssel zum erfolgreichen Nachweis von Neutrinos. Je größer das Wasservolumen, das das Observatorium überwacht, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, seltene Neutrino-Wechselwirkungen zu entdecken. TRIDENT wird mit einem Volumen von etwa 7,5 km3 der weltweit größte Neutrinodetektor sein. Vergleichen Sie das mit dem IceCube-Neutrino-Observatorium mit seinem Volumen von etwa einem km3.

Die Effizienz des Detektors ist ein weiterer wichtiger Aspekt. TRIDENT wird über eine beispiellose Photonendetektionseffizienz verfügen und in Kombination mit seinem großen Volumen ein wahrer Neutrinodetektor der nächsten Generation sein. „TRIDENT beabsichtigt, die Grenzen der Leistung von Neutrinoteleskopen zu erweitern und eine neue Grenze der Empfindlichkeit bei der Suche nach astrophysikalischen Neutrinoquellen am gesamten Himmel zu erreichen“, heißt es in dem Papier.

TRIDENT wird auf dem Erfolg von IceCube aufbauen und die Neutrinowissenschaft noch weiter vorantreiben. IceCube ist in Neutrino-Detektionskreisen für die Entdeckung eines bestimmten extragalaktischen Neutrinoquellenkandidaten im Jahr 2022 bekannt. Es handelt sich um NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, auch bekannt als die Tintenfischgalaxie. Es handelt sich um eine Balkenspirale, die etwa 47 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Es handelt sich um eine aktive Galaxie, und die bisherigen Beobachtungen zeigen, dass die Neutrinos von M77 möglicherweise aus mehreren Quellen stammen.

„Es wird erwartet, dass TRIDENT innerhalb eines Betriebsjahres die stabile Quelle NGC 1068 entdecken wird“, heißt es in dem Papier.

Der Bau einer solchen Anlage ist ein komplexes Unterfangen. Es ist nicht einfach, 24.220 Steckverbinder auf 1.211 einzelnen Strängen in einem geometrischen Muster 2.800 m bis 3.400 m unter dem Meeresspiegel anzuordnen. Präzise globale Zeitstempel sind erforderlich, um Erkennungen zu verstehen, was das System noch weiter verkompliziert.

Außerdem müssen die Detektorstränge am Meeresboden verankert werden, sodass ein beliebiger Standort nicht ausreicht. Das Südchinesische Meer ist ein hochdynamisches Gewässer, und das TRIDENT-Team hat im nördlichen Teil des Meeres eine Tiefseeebene identifiziert, die die strengen Anforderungen des Neutrino-Observatoriums erfüllt. Eine Tiefseeebene ist ein großer flacher Bereich des Meeresbodens mit einer Neigung von weniger als 1:1000.

Neutrino-Sensorarrays sind außerordentlich empfindlich und müssen nach hohen Standards gebaut werden. Das ist in einem Ozean schwierig zu bewerkstelligen. TRIDENT muss Meeresströmungen in unterschiedlichen Tiefen, natürliche Strahlung sowie Temperatur und Salzgehalt des Wassers berücksichtigen. All dies kann sich auf Beobachtungen auswirken und muss bei der Gestaltung des Observatoriums berücksichtigt werden.

China hat an einer Universität in Shanghai einen Simulator gebaut, um an seinem Plan zu arbeiten. Es gibt noch viel zu tun, und China hat weder einen Fertigstellungstermin noch einen „First Light“-Termin genannt.

Aber China verzeichnet eine Reihe von Erfolgen im Weltraum und in der Astronomie, darunter den Bau des größten Radioteleskops der Welt. Ein Erfolg scheint wahrscheinlich.

„Das tropische Tiefsee-Neutrino-Teleskop (TRIDENT), auf Chinesisch Hai-Ling („Ozeanglocke“) genannt, zielt darauf ab, schnell mehrere hochenergetische astrophysikalische Neutrino-Quellen zu entdecken und die Messung kosmischer Neutrino-Ereignisse aller Art erheblich zu verbessern.“ Das Papier kommt zu dem Schluss.