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 de 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

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Des particules mystérieuses détectées en Antarctique annoncent-elles une nouvelle physique ?

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Dédiée à l'étude des neutrinos cosmiques à très hautes énergies, l'expérience Antarctic Impulsive Transient Antenna (Anita) avait découvert des rayons cosmiques atypiques dont il n'était pas certain qu'ils puissent s'expliquer dans le cadre de la physique et de l'astrophysique connues. Un autre détecteur de neutrinos en Antarctique, IceCube, aurait dû voir aussi ces rayons cosmiques dans cette dernière hypothèse. Qu'il n'en ait rien été ne laisse pour le moment qu'une autre hypothèse en lice, des particules d'une nouvelle physique comme celles postulées pour la matière noire.

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[EN VIDÉO] Les blazars, des trous noirs géants accélérateurs de rayons cosmiques  C’est une grande première ! Des scientifiques ont réussi à remonter jusqu’à la lointaine source d’émission d’un neutrino de haute énergie, cette particule fantôme qui traverse en général la matière sans interagir avec elle. D’où vient donc ce neutrino ? Comment a-t-il été détecté ? Réponse dans cette vidéo. 

Les neutrinos sont des particules de matière, initialement découverts en relation avec la radioactivité, et qui existent sous trois formes. Ce sont des leptons et des fermions comme les électrons et, depuis quelques décennies, les astrophysiciens s'en servent pour sonder le cœur du Soleil, de la Terre et aussi pour mieux comprendre les explosions de supernovae. Il existe un bain de neutrinos à basses énergies issus du Big Bang dans lequel nous sommes tous plongés mais également aussi des faisceaux de ces particules à de très hautes énergies sous forme de rayons cosmiques. On pense qu'ils sont produits indirectement par des processus liés aux trous noirs supermassifs, au cœur des noyaux actifs des galaxies, qui se présentent sous forme de blazars, mais peut-être aussi à d'autres astres ou phénomènes inconnus.

On a donc développé une astronomie des neutrinos non seulement dans le but de mieux comprendre les objets astrophysiques mais aussi parce que ces particules posent de nombreuses questions qui ne trouvent pas vraiment de réponses dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. L'étude des neutrinos cosmiques pourrait par conséquent nous ouvrir des fenêtres sur une nouvelle physique, par exemple celle de la supergravité, que nous pourrions ne pas être en mesure d'atteindre avec les accélérateurs de particules terrestres, lesquels ne sauraient égaler en énergie des accélérateurs de particules cosmiques tels les blazars. Cette astronomie neutrino complète idéalement celles faites avec les ondes électromagnétiques et gravitationnelles pour faire de l'astronomie multimessager.

Olivier Drapier, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

L'Antarctique et sa glace, un détecteur géant de neutrinos cosmiques

Plusieurs instruments pour explorer le domaine de l'astronomie des neutrinos ont ainsi été construits, notamment un dans les glaces de l'Antarctique appelé IceCube, ainsi que des programmes de recherche divers comme celui mené depuis quelques années avec des détecteurs à bord d'une nacelle, portée par un ballon dans le cadre de l'expérience Antarctic Impulsive Transient Antenna (Anita). Ce ballon a volé à quatre reprises depuis 2006 au-dessus de l'Antarctique or, il a détecté au cours de ses voyages trois impulsions radio dont deux particulièrement énigmatiques, nécessairement produites par l'arrivée sur Terre de particules cosmiques à des énergies de l'ordre de 0,5 Exa-electron-volt (Eev), soit 500.000 TeV -- pour mémoire, les collisions au LHC atteignent des énergies de seulement 13 TeV.

L'expérience Anita a été lancée parce que l'on savait que des neutrinos de hautes énergies traversant la glace de l'Antarctique allaient produire indirectement des impulsions radio caractéristiques via notamment un équivalent du fameux effet Tcherenkov qu'IceCube utilise dans un autre domaine de longueur d'onde pour traquer lui aussi des neutrinos de hautes énergies. Un tel neutrino, en traversant ce détecteur, peut parfois produire la création d'un muon (un cousin lourd de l'électron) en entrant en collision avec un des quarks à l'intérieur d'un des protons d'une molécule d'eau. Ce muon lui-même provoque ensuite une sorte d'onde de choc électromagnétique similaire à celle d'un avion franchissant le mur du son. En 2017, IceCube a ainsi détecté de cette manière un neutrino cosmique dont l'énergie était d'environ 290 TeV, c'est-à-dire presque 45 fois celle des protons circulant dans l'anneau du LHC et de quoi en fabriquer environ 580.000 dans une seule collision de deux protons.

Une présentation de l'expérience Anita. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © University of Hawai‘i News

Anita utilise donc un effet similaire, l'effet Askaryan, prédit en 1962 par le physicien soviéto-arménien, Gurgen Askaryan, qui lui permet de détecter des neutrinos de très hautes énergies. Mais d'autres impulsions radio associées à des gerbes de particules secondaires produites par des neutrinos entrant en interaction avec des noyaux sont aussi détectables par Anita. Les ondes radio produites de ces manières sont aussi plus facilement mises en évidence du fait que la pollution radio est très faible au-dessus de ce continent glacé. Toutefois, les caractéristiques de deux des événements si énergétiques détectés par Anita (avec des gerbes de particules secondaires) posaient problème si l'on voulait les interpréter comme étant causées par des neutrinos de très hautes énergies, au point de défier potentiellement les prédictions du modèle standard de la physique des particules.

Pour en avoir le cœur net, les physiciens, membres de la collaboration IceCube, ont analysé de nouveau les données qu'ils ont collectées depuis des années avec leur détecteur et ils viennent de publier sur arXiv leur conclusion à ce sujet. Sauf erreurs dans les détecteurs d'Anita, il n'est pas possible d'expliquer les événements atypiques avec gerbes observées, à moins de faire intervenir de nouvelles particules, en particulier celles que l'on postule comme candidates au titre de particule de matière noire comme des axions, les mythiques gravitinos de la supergravité ou plus généralement, des particules prédites par les théories supersymétriques.

Mais comment les physiciens de IceCube sont-il arrivés à cette conclusion ?

Une présentation du détecteur de neutrinos IceCube. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © WebsEdgeEducation

Des neutrinos trop énergétiques pour traverser la Terre

Pour le comprendre, rappelons que les neutrinos sont des particules neutres, sans charge électrique et qui n'interagissent avec les autres particules de matière que via les forces nucléaires faibles et la gravitation. À basses énergies, du genre de celles associées aux réactions de fusion thermonucléaire au cœur du Soleil, les neutrinos sont très pénétrants. Ils peuvent traverser son enveloppe comme si de rien n'était pour arriver sur Terre presque à la vitesse de la lumière car ils ont des masses très faibles. Ils pourraient traverser sans interagir avec un des noyaux qui la composent une épaisseur de roche de plusieurs centaines de fois le diamètre de la Terre.

Mais tout change à des énergies élevées. Techniquement, la théorie électrofaible qui décrit les interactions non gravitationnelles des neutrinos avec la matière fournit ce que l'on appelle une section efficace d'interaction, laquelle donne une probabilité d'interaction qui augmente avec l'énergie. Si donc on augmente l'énergie des neutrinos d'un faisceau de neutrinos, une partie de plus en plus importante de la population de ces particules interagira avec une épaisseur donnée de matière. De fait, on pense que dans les explosions de supernovae, une partie de la force qui les provoque provient du flux des neutrinos à hautes énergies émis par le coeur des étoiles qui s'effondrent et qui exercent alors une pression sur les couches de matière interne de ces étoiles.

Les deux événements atypiques, produits par des gerbes de particules secondaires et révélés par Anita, permettent de remonter aux caractéristiques des impulsions radio produites par ces gerbes issues de l'interaction des neutrinos avec un noyau d'une molécule de glace. Il faut que les neutrinos qui en soient responsables aient traversé toute l'épaisseur de la Terre et c'est là que les problèmes arrivent. Avec une énergie de l'ordre de 0,5 EeV, de tels neutrinos avaient peu de chance de pouvoir traverser toute notre planète.

Pour chaque neutrino, on doit donc postuler qu'il était le seul survivant d'un faisceau contenant de très nombreux neutrinos à hautes énergies. On doit postuler aussi qu'il doit être produit par une source peu étendue sur la voûte céleste, un blazar par exemple. Si tel est bien le cas, IceCube devrait avoir vu également une partie de ce faisceau avec, là aussi, une direction relativement bien définie mais associée à des neutrinos aux plus basses énergies accessibles par le détecteur, et qui devaient accompagner les neutrinos bien plus énergétiques -- techniquement, une source astrophysique ponctuelle doit produire un spectre avec des neutrinos à plusieurs énergies décrit par une loi en puissance de cette énergie. Or, ce n'est justement pas le cas en ré-analysant les données collectées. On ne trouve pas de sources ponctuelles associées aux événements d'Anita dans ces données. Une autre particule probablement très pénétrante causant, elle aussi, indirectement des impulsions radio doit être responsable de ces événements, une particule qui cadrerait bien justement avec une particule de matière noire, sans charge électrique comme les neutrinos, et provenant d'une nouvelle physique.

Mais restons prudents, des erreurs de mesures ne sont pas à exclure même si les chercheurs ont bien évidemment vérifié tout ce qu'ils pouvaient. On se souvient de l'exemple des neutrinos transluminiques...

  • Les neutrinos sont des sondes astrophysiques performantes pouvant provenir du Big Bang, du cœur des étoiles, notamment lorsqu'elles explosent, mais aussi des trous noirs supermassifs sous forme de blazars, qui se comportent alors comme de prodigieux accélérateurs de particules.
  • Dédiée à l'étude des neutrinos cosmiques à très hautes énergies, l'expérience Antarctic Impulsive Transient Antenna (Anita) avait découvert des impulsions radio associées à des rayons cosmiques atypiques via un effet cousin de l'effet Tcherenkov, en l'occurrence l'effet Askaryan.
  • Un autre détecteur de neutrinos en Antarctique, IceCube, aurait dû voir aussi ces rayons cosmiques mais à plus basses énergies et associés à des sources ponctuelles.
  • il n'en a rien été, ce qui ne laisse pour le moment qu'une autre hypothèse en lice au lieu de celle des neutrinos pour les événements atypiques révélés par Anita, des particules d'une nouvelle physique comme celles postulées pour la matière noire.
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