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GRAND

par Olivier Martineau-Huynh - 25 juin

Les neutrinos d’énergie extrême

Les particules élémentaires les plus énergétiques de l’Univers atteignent des énergies supérieures de 7 ordres de grandeurs à celles obtenues dans les plus puissants accélérateurs de particules sur Terre ( 10^20 eV contre 10 TeV au LHC). Même si d’intenses efforts expérimentaux au cours des dernières décennies ont montré de manière univoque que ces particules -dont l’acronyme anglais est UHECRs- sont des noyaux atomiques accélérés dans des sources astrophysiques extragalactiques, la nature exacte de ces particules -protons, noyaux intermédiaires du groupe CNO ou lourds de type Fe- n’est pas connue avec précision, de même que leurs sites de production -Noyaux Actifs de Galaxies, pulsars extragalactiques, galaxies à flambée d’étoile- ou les mécanismes leur permettant d’atteindre ces énergies extrêmes (processus de Fermi, reconnexion magnétique, etc).

La détection de neutrinos cosmiques d’ultra haute neutrinos d’énergie (c’est-à-dire supérieure à 10^17 eV) pourrait apporter des éléments décisifs pour résoudre ce mystère. Ces particules sont en effet produites sur les mêmes sites que les UHECRs, et leur direction d’origine pointe directement vers leurs sources (n’étant pas chargés, les neutrinos ne sont en effet pas déviés le long de leur trajectoire cosmique, au contraire des UHECRs). Ces neutrinos d’ultra haute énergie, détectés en coïncidence avec d’autres messagers - neutrinos de plus basse énergie, rayonnement électromagnétique ou ondes gravitationnelles- formeraient donc de formidables sondes des phénomènes violents dans l’Univers.

GRAND
Le projet GRAND (Giant Radio Array for Neutrino Detection) vise en priorité à détecter les neutrinos cosmiques à l’aide d’un réseau d’une vingtaine de détecteurs constitués de 10 000 antennes radio et qui devraient être déployés à partir de 2030 sur des sites à faible niveau de bruit radio à travers le monde, pour atteindre une surface totale de 200000km². Les neutrinos cosmiques d’ultra haute énergie sont susceptibles d’induire dans l’atmosphère des cascades de particules (aussi appelées gerbes atmosphériques) suivant des trajectoires quasi-horizontales. Leur développement est associé à l’émission de brèves (<100ns) impulsions électromagnétiques. Cohérentes dans la gamme 30-100MHz, elles pourront être détectées par les antennes du réseau GRAND.

GRANDProto300

A plus court terme, la collaboration GRAND s’est engagée dans le projet GRANDProto300, un réseau de 300 antennes couvrant 200km², qui a pour but principal de valider le concept de détection de GRAND via l’étude de gerbes atmosphériques induite par les rayons cosmiques. Les cent premières antennes devraient être déployées dans les prochains mois dans le désert de Gobi, en Chine.

Le LPNHE est particulièrement impliqué dans la préparation de l’analyse des données de GRANDProto300 et pilote un travail prospectif sur le système de déclenchement de l’acquisition des données pour le premier sous-réseau de 10000 antennes du projet GRAND. Un mini-réseau de quatre antennes est en cours de déploiement au radio-observatoire de Nançay pour servir de banc de test pour cette étude.

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