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IceCube voit peut-être des neutrinos venus de lointains quasars

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Certains neutrinos très énergétiques ne sont produits ni par le Soleil ni par le choc des rayons cosmiques galactiques sur les noyaux de l'atmosphère de la Terre. On les chasse depuis un certain temps avec le télescope IceCube installé dans un cube de glace d'un kilomètre de côté en Antarctique. Les physiciens viennent enfin de détecter ces neutrinos qui pourraient avoir été produits aux abords des trous noirs supermassifs ou à l'occasion de sursauts gamma.

Une vue des bâtiments de surface du détecteur géant de neutrinos IceCube en Antarctique. La pureté de la glace à plus d’un kilomètre de profondeur permet à plus de 5.000 photomultiplicateurs d'enregistrer avec précision les flashs bleutés très ténus générés par les muons issus de la collision des neutrinos avec les noyaux atomiques dans la glace. La construction d'IceCube a commencé en 2005, mais le détecteur est une version plus grande d'Amanda, qui date du début des années 1990. © Felipe Pedreros, IceCube, NSF

Les véritables débuts de l'astronomie neutrino datent de presque 50 ans, lorsque Raymond Davis et John Norris Bahcall ont détecté les premiers neutrinos en provenance du Soleil en 1968. Un second événement marquant a été celui de la détection, en 1987, des neutrinos émis par l'explosion de l'étoile Sanduleak, plus connue sous le nom de supernova SN 1987A. Il est possible que l'annonce faite récemment par les membres de la collaboration IceCube, et qui concerne la détection de 28 neutrinos possédant des énergies comprises entre 30 et 1.200 TeV, soit vue par les historiens du futur comme le troisième élément marquant de l'histoire de l'astronomie des neutrinos.

Pour comprendre pourquoi la détection de ces neutrinos est si importante, il faut faire mieux connaissance avec ces particules fantomatiques, qui sont plus abondantes dans le cosmos que les photons du rayonnement fossile, eux-mêmes presque un milliard de fois plus nombreux que les noyaux atomiques.

De gauche à droite, Fermi, Heisenberg et Pauli. Dès 1936, bien que pour de mauvaises raisons, Heisenberg avait compris que l'on devrait pouvoir observer les effets des neutrinos de Fermi et Pauli dans les rayons cosmiques. © F. D. Rasetti, AIP Emilio Segrè Visual Archives

Les neutrinos et la force nucléaire faible

En 1930, alors que Wolfgang Pauli est encore secoué par son divorce (comme l'explique Étienne Klein dans un récent ouvrage, La physique des infinis), il postule l'existence d'une nouvelle particule. Il dira plus tard qu'elle a été « l'enfant fou de la pire période de sa vie ». Il s'agit pour lui du moyen de résoudre une énigme concernant le spectre en énergie des électrons émis par la désintégration bêta. Ce spectre est continu plutôt que discret, comme l'on découvert Lise Meitner et Otto Hahn en 1911. Plutôt que de remettre en question le principe de conservation de l'énergie, comme n'hésitait pas à le faire Niels Bohr, Pauli rend compte de ce spectre en faisant porter l'énergie manquante par une particule inconnue jusque-là. Malheureusement, il faut supposer pour cela que la nouvelle particule de spin 1/2, comme l'électron, n'a pas de charge et pas de masse. Elle est donc à priori indétectable, ce qui semble bien peu satisfaisant du point de vue scientifique.

À la suite de la découverte du neutron en 1932, Fermi construit une élégante théorie de la désintégration bêta, dans laquelle il postule l'existence d'une nouvelle force, l'interaction nucléaire faible. La théorie de Fermi incorpore naturellement la particule de Pauli, qu'il baptise du nom de neutrino, ce qui signifie « le petit neutre » en italien.

On sait aujourd'hui qu'il existe en réalité trois types de neutrinos, et qu'ils peuvent interagir avec les quarks et les leptons du modèle standard via les bosons W et Z, dont les masses dérivent du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. On sait aussi que ces neutrinos peuvent se transformer les uns dans les autres selon le mécanisme d'oscillation découvert par Bruno Pontecorvo, et qui attribue une masse à quelques-uns, voire tous les neutrinos. Ils ont aussi défrayé la chronique récemment parce que l'on pensait qu'ils pouvaient se déplacer plus vite que la lumière.

Les neutrinos sont très pénétrants, et peuvent traverser la Terre sans problème. Ce schéma montre les origines des neutrinos pouvant être détectés par l'effet Tcherenkov des muons dans de l'eau et de la glace (voir le texte ci-dessous pour plus de détails). Certains neutrinos muoniques, νμ, sont produits par des accélérateurs cosmiques naturels comme les noyaux actifs de galaxies. D'autres sont des neutrinos atmosphériques engendrés par les collisions de protons et de noyaux d'hélium, des particules α, sur les noyaux des couches de la haute atmosphère. Plus spéculative est l'idée que des particules de matière noire, comme les neutralinos χ0 de la supersymétrie, se sont peut-être accumulées au centre de la Terre. Elles pourraient se désintégrer en donnant des neutrinos très énergétiques.
Les neutrinos sont très pénétrants, et peuvent traverser la Terre sans problème. Ce schéma montre les origines des neutrinos pouvant être détectés par l'effet Tcherenkov des muons dans de l'eau et de la glace (voir le texte ci-dessous pour plus de détails). Certains neutrinos muoniques, νμ, sont produits par des accélérateurs cosmiques naturels comme les noyaux actifs de galaxies. D'autres sont des neutrinos atmosphériques engendrés par les collisions de protons et de noyaux d'hélium, des particules α, sur les noyaux des couches de la haute atmosphère. Plus spéculative est l'idée que des particules de matière noire, comme les neutralinos χ0 de la supersymétrie, se sont peut-être accumulées au centre de la Terre. Elles pourraient se désintégrer en donnant des neutrinos très énergétiques. © IN2P3

Le bruit de fond des neutrinos atmosphériques

Les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière, surtout lorsqu'ils portent des énergies basses. C'est le cas de ceux laissés par le Big Bang et ceux émis par le Soleil, de sorte que 100.000 milliards de ces particules traversent notre corps chaque seconde sans que nous y prenions garde. Il existe une autre source de neutrinos importante liée aux rayons cosmiques. Ces neutrinos sont dits atmosphériques.

Ils sont produits par les protons et les noyaux accélérés quelque part dans la Voie lactée et entrent en collision avec les noyaux d'oxygène et d'azote de la haute atmosphère. Se créent alors des mésons instables qui se désintègrent en donnant des neutrinos muoniques et électroniques essentiellement. On sait quantifier le flux de neutrinos d'origine cosmologique et aussi ceux liés au Soleil et aux rayons cosmiques ordinaires tombant sur les hautes couches de l'atmosphère, de sorte que des neutrinos très énergétiques, ou avec un flux brutalement très important, émergent clairement au-dessus du bruit de fond des neutrinos atmosphériques si l'on dispose d'un détecteur adéquat.

Schéma d’IceCube en Antarctique. En tout, 5.160 photomultiplicateurs capables de détecter la lumière Tcherenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. Ils sont orientés vers le sol, et non vers le ciel, car on se sert de la Terre comme d'un filtre pour augmenter les chances d'observer des neutrinos galactiques et extragalactiques malgré le bruit de fond des neutrinos atmosphériques et solaires.
Schéma d’IceCube en Antarctique. En tout, 5.160 photomultiplicateurs capables de détecter la lumière Tcherenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. Ils sont orientés vers le sol, et non vers le ciel, car on se sert de la Terre comme d'un filtre pour augmenter les chances d'observer des neutrinos galactiques et extragalactiques malgré le bruit de fond des neutrinos atmosphériques et solaires. © Exploratorium, 2011

Lorsque des neutrinos d'énergies suffisamment élevées interagissent avec certains quarks dans les nucléons des molécules d'eau de l'océan ou de la glace, ils conduisent à la création d'un muon lui aussi d'assez haute énergie, qui commence sa trajectoire dans la même direction que le neutrino initial. Dans l'eau ou la glace, ce muon provoque alors une sorte d'onde de choc électromagnétique, un peu à la manière d'une lame d'étrave créée par un bateau : c'est l'effet Tcherenkov. Des photomultiplicateurs peuvent enregistrer les photons émis. On peut alors se servir du signal détecté pour remonter à la direction précise d'où provenait le neutrino, et déterminer quelle énergie il portait. C'est ce que les scientifiques tentent de faire depuis presque 40 ans, en particulier avec des détecteurs de grande échelle comme IceCube (la version géante d'Amanda, son prédécesseur) en Antarctique et Antarès dans la Méditerranée.

Les neutrinos, une nouvelle fenêtre pour l'astronomie

Il faut toutefois se souvenir que les protons du rayonnement cosmique galactique qui ont généré les neutrinos atmosphériques sont chargés. On pense qu'ils ont été produits par des supernovae ou aux abords d'astres compacts comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs stellaires. Mais du fait des champs magnétiques dans la Voie lactée, ils sont déviés et effectuent une sorte de marche aléatoire à la façon d'un ivrogne. Il n'est donc possible d'assigner une source précise sur la voûte céleste ni à ces protons (qui forment l'essentiel des rayons cosmiques) ni aux neutrinos qu'ils génèrent. Cela laisse d'ailleurs planer quelques doutes sur l'origine exacte de la majorité des rayons cosmiques.

Les courbes des flux de neutrinos de différentes énergies. Les neutrinos cosmologiques (cosmological ν) sont très abondants, comme on le voit à gauche, mais uniquement à très basses énergies. En pratique, ils sont inobservables. Entre 1 keV et 1 MeV, le flux est dominé par les neutrinos solaires, mais de 1 GeV à 1 TeV, on ne voit vraiment que des neutrinos atmosphériques peu intéressants pour l'astrophysique. © Aspera

Mais au-dessus de certaines énergies, le flux de neutrinos atmosphériques décroît d'une manière bien précise. Au-dessus de quelques dizaines de TeV, il devient de plus en plus difficile de rendre compte d'un flux de neutrinos autrement qu'en imaginant que ceux-ci soient directement produits aux abords d'objets compacts, comme les quasars, ou à l'occasion de certains sursauts gamma, même si le mécanisme de leur production peut être identique à celui des neutrinos atmosphériques. Les caractéristiques des flux de brusques bouffées de neutrinos accompagnant par exemple une supernova dans la Voie lactée sont elles aussi bien identifiables.

Dans le cas des supernovae, il est intéressant de constater que les neutrinos émis proviennent directement du cœur de l'étoile qui explose. Ils nous renseignent sur ce qui est en train de s'y passer, ce qui n'est pas le cas des photons associés à ce phénomène. Il en est de même de ceux émis par la surface du Soleil, qui ne proviennent pas directement du cœur du Soleil, et c'est pourquoi on se sert des neutrinos solaires pour vérifier, par exemple, la théorie de la production du deutérium.

Les neutrinos, des sondes pour les quasars et sursauts gamma

De toutes ces considérations, il émerge que parce que les neutrinos ne sont pas sensibles aux champs magnétiques et qu'ils sont très pénétrants, ils peuvent servir à localiser clairement sur la voûte céleste les sources de rayons cosmiques à très hautes ou ultrahautes énergies quand ils ne sont pas d'origine atmosphérique, solaire ou cosmologique. Ils sont donc complémentaires des photons gamma de très hautes énergies, détectés notamment lors des sursauts gamma, dont on ne connaît toujours pas très bien l'origine. On prévoit en particulier que le flux de neutrinos à des énergies de l'ordre de 1.000 TeV (c'est-à-dire de l'ordre de 1 PeV) provient majoritairement des noyaux actifs de galaxies (AGN, voir le schéma ci-dessus), c'est-à-dire des quasars et des trous noirs supermassifs.

Il est peu probable que les 28 neutrinos possédant des énergies comprises entre 30 et 1.200 TeV, dont la détection par IceCube est exposée en détail dans un article sur arxiv, soient des neutrinos atmosphériques. Il semble bel et bien que l'astrophysique des neutrinos soit en train d'entrer dans une ère nouvelle. Certains espèrent qu'elle nous livrera les clés d'une nouvelle physique, et ne nous révélera pas seulement des secrets concernant les supernovae, les étoiles à neutrons ou les quasars.

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