La Terre stoppe certains neutrinos à haute énergie

Le projet IceCube en Antarctique révèle comment la Terre arrête certains neutrinos à haute énergie provenant de l’espace. Même si les scientifiques espéraient que les résultats infirmeraient les théories existantes, ce n’est pas encore le cas. Le modèle standard de la physique des particules a tenu bon.


Le laboratoire IceCube en mars 2017 avec la station du Pôle Sud en arrière-plan - Crédit : IceCube Collaboration
Le laboratoire IceCube en mars 2017 avec la station du Pôle Sud en arrière-plan - Crédit : IceCube Collaboration

Les neutrinos sont des particules subatomiques abondantes qui sont célèbres pour passer à travers tout et n’importe quoi en interagissant très rarement avec la . Environ 100 mille milliards de neutrinos traversent votre corps chaque seconde. Désormais, les scientifiques ont démontré que la Terre arrête les neutrinos énergétiques et ils ne traversent pas absolument tout. Ces interactions de neutrinos à haute énergie ont été observées par le détecteur , un réseau de 5 160 capteurs optiques de la taille d’un ballon de basketball enfouis profondément dans un kilomètre cube de glace antarctique près du pôle Sud.

Les détecteurs d’IceCube

Les capteurs IceCube n’observent pas directement les neutrinos, mais ils mesurent les flashs de lumière bleue, connus sous le nom de rayonnement Cherenkov, émis par les muons et d’autres particules chargées qui se créent quand les neutrinos interagissent avec la glace et par les particules chargées qui sont produites quand les muons interagissent lorsqu’ils se déplacent dans la glace. En mesurant les modèles de lumière à partir de ces interactions dans ou à proximité du réseau de détecteurs, IceCube peut estimer les directions et les énergies des neutrinos.

L’étude, publiée dans la revue Nature, a été menée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’UC Berkeley du Department of Energy. Spencer Klein, qui dirige l’équipe de recherche IceCube de Berkeley Lab, a commenté : Cette analyse est importante, car elle montre que IceCube peut apporter de réelles contributions à la des particules et nucléaires à des énergies supérieures par rapport aux accélérateurs actuels.1

Cette image montre une représentation visuelle des détections de neutrinos à très haute énergie avec une vue du laboratoire d'IceCube - Crédit : IceCube Collaboration

Cette image montre une représentation visuelle des détections de neutrinos à très haute énergie avec une vue du laboratoire d’IceCube – Crédit : IceCube Collaboration

Sandra Miarecki, qui a effectué une grande partie de l’analyse des données, a déclaré : C’est une idée multidisciplinaire. L’analyse a nécessité l’apport de géologues qui ont créé des modèles de l’intérieur de la Terre à partir d’études sismiques. Les physiciens ont utilisé ces modèles pour aider à prédire comment les neutrinos sont absorbés dans la Terre. Vous créez des choses se faisant passer pour des muons qui simulent la réponse des capteurs selon Miarecki. Vous devez simuler leur comportement, il doit y avoir un modèle de glace pour simuler le comportement de la glace, vous devez aussi avoir des simulations de rayons cosmiques et vous devez simuler la Terre en utilisant des équations.

Des neutrinos très énergétiques provenant de l’espace

Les résultats de l’étude sont basés sur une année de données provenant d’environ 10 800 interactions de neutrinos. Il s’agit de neutrinos très énergétiques provenant de l’espace qui traverse la Terre. L’énergie des neutrinos était essentielle à l’étude, car les neutrinos à plus haute énergie sont plus susceptibles d’interagir avec la matière et d’être absorbés par la Terre.

Les scientifiques ont découvert qu’il y avait moins de neutrinos énergétiques qui traversaient la Terre jusqu’au détecteur IceCube que de trajectoires moins obstruées comme ceux qui arrivaient à des trajectoires presque horizontales. La probabilité que les neutrinos soient absorbés par la Terre était conforme aux attentes du Modèle standard de la que les scientifiques utilisent pour expliquer les forces et les particules fondamentales dans l’univers. Cette probabilité, que les neutrinos d’une énergie donnée interagissent avec la matière, est ce que les physiciens appellent une section efficace.

Dans cette étude, les chercheurs ont mesuré le flux des neutrinos muons comme une fonction de leur énergie et de leurs directions. Les neutrinos aux énergies plus élevées avec des directions proches du Pôle Nord sont plus susceptibles d'interagir avec la matière à travers la Terre - Crédit : IceCube Collaboration

Dans cette étude, les chercheurs ont mesuré le flux des neutrinos muons comme une fonction de leur énergie et de leurs directions. Les neutrinos aux énergies plus élevées avec des directions proches du Pôle Nord sont plus susceptibles d’interagir avec la matière à travers la Terre – Crédit : IceCube Collaboration

La compréhension de l’interaction des neutrinos est la clé de voute de l’opération IceCube selon Francis Halzen, chercheur principal pour l’Observatoire IceCube et professeur de physique à l’Université du Wisconsin-Madison. Les mesures de précision à l’accélérateur HERA à Hambourg en Allemagne nous permettent de calculer la section efficace des neutrinos avec une grande précision dans le modèle standard qui s’appliquerait aux neutrinos aux énergies beaucoup plus élevées d’IceCube si le modèle standard est valide à ces énergies. Nous espérions bien sûr que de nouvelles physiques apparaissent, mais nous constatons malheureusement que le modèle standard, comme d’habitude, résiste au test selon Halzen.

IceCube a été conçu pour découvrir de nouvelles physiques

James Whitmore, directeur du programme de la division de physique de la National Science Foundation, a déclaré : IceCube a été construit à la fois pour explorer les frontières de la physique et pour remettre en question les perceptions existantes de la nature de l’univers. Cette étude fournit les premières mesures en coupe pour une gamme d’énergie de neutrinos jusqu’à 1000 fois plus élevées que les mesures précédentes sur les accélérateurs de particules. La plupart des neutrinos sélectionnés pour cette étude étaient plus d’un million de fois plus énergiques que les neutrinos produits par des sources plus familières comme le soleil ou les centrales nucléaires. Les chercheurs ont veillé à ce que les mesures ne soient pas faussées par des problèmes de détecteur ou d’autres incertitudes.

Les neutrinos ont la réputation bien méritée de nous surprendre par leur comportement selon Darren Grant, porte-parole de la Collaboration IceCube et professeur de physique à l’Université de l’Alberta au Canada. Il est incroyablement excitant de voir cette première mesure et le potentiel qu’elle représente pour les futurs tests de précision. En plus de fournir la première mesure de l’absorption de neutrinos par la Terre, l’analyse montre que la portée scientifique d’IceCube s’étend au-delà des découvertes de physique des particules et du domaine émergent de l’astronomie des neutrinos dans les domaines de la science planétaire et de la . Cette analyse intéressera également les géophysiciens qui voudraient utiliser des neutrinos pour imager l’intérieur de la Terre même si cela nécessite plus de données que ce qui a été utilisé dans la présente étude.

Pour cette étude, la Collaboration IceCube, qui comprend plus de 300 membres provenant de 48 institutions dans 12 pays, a élargi son partenariat de recherche pour inclure des géologues dans une équipe multidisciplinaire encore plus grande. Une compréhension plus approfondie de la fréquence à laquelle un neutrino traversera la Terre pour interagir avec le détecteur IceCube nécessite également une connaissance détaillée des propriétés des glaces antarctiques, de l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre et de l’interaction des neutrinos avec la matière.

Des neutrinos d’une énergie de 1 TeV

Les neutrinos utilisés dans cette analyse étaient principalement produits lorsque de l’hydrogène ou des noyaux plus lourds provenant de rayons cosmiques de haute énergie créés en dehors du système solaire, interagissaient avec des noyaux d’azote ou d’oxygène dans l’atmosphère terrestre. Cela crée une cascade de particules incluant plusieurs types de particules subatomiques qui se désintègrent en produisant des neutrinos. Ces particules frappent la surface de la Terre de toutes les directions.

L’analyse a également inclus un petit nombre de neutrinos astrophysiques, qui sont produits à l’extérieur de l’atmosphère terrestre à partir d’accélérateurs cosmiques non identifiés à ce jour, peut-être associés à des trous noirs supermassifs.

Un cable avec des chaines de détecteurs de neutrinos qui s'enfonce dans la glace pendant la construction du laboratoire IceCube au Pôle Sud - Crédit : NSF/B.Gudbjartsson

Un cable avec des chaines de détecteurs de neutrinos qui s’enfonce dans la glace pendant la construction du laboratoire IceCube au Pôle Sud – Crédit : NSF/B.Gudbjartsson

Les événements d’interaction neutrino, qui ont été sélectionné pour l’étude, ont des énergies d’au moins un mille milliards d’électrons-volts (1012) ou un téra-électronvolt (TeV), soit l’équivalent de l’énergie cinétique d’un moustique volant. À cette énergie, l’absorption des neutrinos par la Terre est relativement faible et les neutrinos les moins énergétiques de l’étude ont largement servi de base de référence sans absorption. L’analyse était sensible à l’absorption dans la gamme d’énergie de 6,3 TeV à 980 TeV limitée par une pénurie de neutrinos suffisamment énergétiques.

À ces énergies, chaque proton ou neutron individuel dans un noyau agit indépendamment, de sorte que l’absorption dépend du nombre de protons ou de neutrons que chaque neutrino rencontre. Le noyau de la Terre est particulièrement dense de sorte que l’absorption y est la plus grande. En comparaison, les neutrinos les plus énergétiques, qui ont été étudiés dans des accélérateurs de particules construits par l’homme, étaient à des énergies inférieures à 0,4 TeV. Les chercheurs ont utilisé ces accélérateurs pour viser des faisceaux contenant une grande quantité de ces neutrinos de plus basse énergie à des détecteurs massifs.

Les chercheurs de IceCube ont utilisé des données recueillies de mai 2010 à mai 2011, à partir d’un tableau partiel de 79 « chaines », chacune contenant 60 capteurs intégrés à plus 1,6 km de profondeur dans la glace. Gary Binder, un étudiant diplômé de UC Berkeley affilié à la Division des sciences nucléaires de Berkeley Lab, a développé le logiciel qui a été utilisé pour adapter les données de IceCube à un modèle décrivant comment les neutrinos se propagent à travers la Terre. À partir de là, le logiciel a déterminé la section qui correspond le mieux aux données. Des simulations pour soutenir l’analyse ont été menées en utilisant des superordinateurs à l’Université du Wisconsin-Madison et au Centre de calcul scientifique de la recherche énergétique nationale de Berkeley Lab (NERSC).

Des projets pour des détecteurs plus grands

Les physiciens espèrent désormais répéter l’étude en utilisant une analyse pluriannuelle élargie des données de la série complète IceCube à 86 chaines, qui a été achevée en décembre 2010, et examiner des neutrinos d’énergies plus élevées pour des indices de nouvelle physique au-delà du modèle standard. IceCube a déjà détecté plusieurs neutrinos à ultra-haute énergie dans la gamme des pétaélectronvolts (PeV) qui ont une énergie 1000 fois supérieure à celles détectées dans la gamme TeV.

M. Klein a déclaré : Une fois que nous pourrons réduire les incertitudes et examiner des énergies légèrement plus élevées, nous pourrons examiner des choses comme les effets nucléaires sur la Terre et les effets électromagnétiques collectifs. Binder a ajouté : Nous pouvons également étudier la quantité d’énergie qu’un neutrino transfère à un noyau pendant l’interaction ce qui nous donne une autre sonde de la structure nucléaire et de la physique au-delà du modèle standard.

Plus de données réduiront les incertitudes et fourniront des neutrinos à des énergies encore plus élevées en ouvrant de nouvelles opportunités pour sonder la physique des neutrinos au-delà du modèle standard. Il permettra également aux scientifiques d’explorer la limite entre le noyau solide interne de la Terre et son noyau externe liquide. Un objectif à plus long terme est de construire un détecteur plus grand qui permettrait aux scientifiques d’étudier des neutrinos d’énergies encore plus élevées. Le IceCube-Gen2 proposé serait 10 fois plus grand que IceCube. Sa plus grande taille permettrait au détecteur de recueillir plus de données sur les neutrinos à très haute énergie.

Certains scientifiques cherchent à construire un détecteur encore plus grand, 100 kilomètres cubes ou plus, en utilisant une nouvelle approche qui cherche des impulsions d’ondes radioélectriques produites lorsque des neutrinos de très haute énergie interagissent dans la glace. Les mesures de l’absorption des neutrinos par un détecteur radio pourraient être utilisées pour rechercher de nouveaux phénomènes allant bien au-delà de la physique expliquée dans le modèle standard et pourraient examiner plus en détail la structure des noyaux atomiques que celles d’autres expériences.

Sources

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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