Les neutrinos sont parmi les particules les plus étranges que nous ayons rencontrées jusqu'à présent. Environ 100 milliards d'entre eux traversent chaque centimètre carré sur Terre par seconde, mais leur taux d'interaction est si faible qu'ils peuvent facilement parcourir la planète entière. C’est ainsi qu’ils ont gagné le nom populaire de «particule fantôme». Les neutrinos font partie de nombreuses questions non résolues en physique. Nous ne connaissons toujours pas leur masse et ils pourraient même y avoir leurs propres anti-particules tandis que leurs frères et sœurs pourraient constituer la matière noire de notre Univers. De plus, ce sont des messagers précieux des phénomènes astrophysiques les plus extrêmes comme les supernovae et les trous noirs supermassifs.

Les neutrinos sur terre ont des origines différentes: il y a des neutrinos solaires produits dans les processus de fusion de notre soleil, des neutrinos atmosphériques produits par des rayons cosmiques frappant notre atmosphère, des neutrinos de réacteur artificiels créés dans les désintégrations radioactives des réacteurs nucléaires, des géoneutrinos qui découlent naturellement de processus similaires se produisant à l'intérieur de la Terre et des neutrinos astrophysiques produits à l'extérieur de notre système solaire pendant les supernovae et d'autres processus extrêmes dont la plupart sont encore inconnus.

Le plus grand détecteur jamais construit

Schéma de principe de l'Observatoire des neutrinos IceCube.
Crédit: Nasa-verveÉquipe scientifique IceCube – Francis Halzen, Département de physique, Université du Wisconsin, CC BY 3.0

Parce que les neutrinos n'ont pas de charge et ne sont affectés que par la faible interaction (et la gravité), ils sont difficiles à détecter. Certaines expériences utilisent de grands réservoirs remplis d'eau pure et équipés de capteurs de lumière comme détecteurs. Les neutrinos peuvent éliminer les électrons des molécules d'eau qui se déplaceront plus vite que la vitesse de la lumière dans ce milieu et ainsi produire la lumière Cherenkov, qui est également responsable de la lueur bleue saine qui émane des réacteurs nucléaires. L'expérience IceCube tire parti de cette méthode de détection à une échelle beaucoup plus grande. Au lieu de construire un énorme réservoir d'eau, ils ont enterré 86 cordes équipées d'un total de 5 160 détecteurs de lumière jusqu'à 2 500 m de profondeur dans la glace antarctique. Le volume total du détecteur est d'un kilomètre cube, ce qui correspond à une masse cible d'un gigaton et est donc le plus grand détecteur jamais construit.

Les neutrinos des trous noirs supermassifs

Structure interne d'une galaxie avec un noyau galactique actif.
Crédit: Rothwild, CC BY-SA 3.0

Un grand succès d'IceCube a été la première détection de neutrinos astrophysiques de haute énergie en 2013. Avant cela, les seuls neutrinos provenant de sources astrophysiques en dehors de nos systèmes solaires ont été détectés lors d'une supernova en 1987. Au moment de l'observation IceCube, ce n'était pas le cas. L'origine de ces neutrinos est claire, mais cela a changé en 2017 lorsqu'un autre événement de neutrinos de haute énergie a pu être attribué à un blazar de rayons gamma connu. Un blazar est formé par un noyau galactique actif (AGN), la région centrale d'une galaxie qui est théorisée pour abriter un trou noir supermassif. La masse tombant dans le trou noir produit une paire de jets relativistes qui peuvent être vus comme une source lumineuse à travers le spectre électromagnétique lorsqu'ils sont dirigés vers l'observateur. Récemment, des chercheurs russes ont fait un autre progrès dans l'identification des sources de neutrinos astrophysiques. Ils ont comparé les événements IceCube avec les données d'un réseau de radiotélescopes et ont constaté qu'ils étaient associés à plusieurs AGN radio-lumineux. L'astronomie multimessenger comme celle-ci est un domaine en plein essor qui est devenu encore plus intéressant depuis que nous avons ajouté des ondes gravitationnelles au jeu. Pour permettre l'observation coïncidente des neutrinos, des rayonnements électromagnétiques, des rayons cosmiques et des ondes gravitationnelles provenant de sources astrophysiques, différents télescopes du monde entier sont rejoints par le Réseau d'observation astrophysique multimessagers (AMON)

Détection de neutrinos avec des impulsions radio

Principe de détection de l'expérience ANITA.
Crédit: La collaboration ANITA

IceCube n'est pas la seule expérience de neutrinos au pôle sud. L'antenne transitoire impulsionnelle antarctique (ANITA) est une expérience embarquée sur ballon conçue pour détecter les ondes radio créées par des neutrinos de très haute énergie pénétrant dans la glace, connue sous le nom d'effet Askaryan. L'ANITA détecte les impulsions radio qui remontent dans l'atmosphère lorsqu'elles sont produites par des neutrinos voyageant à travers la terre. Une impulsion radioélectrique ascendante peut également être produite par des rayons cosmiques venant d'en haut lorsque le signal est réfléchi sur la surface de la glace, cependant, pendant la réflexion, il change de polarisation. L'ANITA peut donc distinguer ces impulsions radio en regardant la phase du signal détecté.

Un signal inattendu

L'expérience ANITA-IV en Antarctique, avant d'être lancée sur un ballon.
Crédit: Drummermean, CC BY-SA 4.0

L'expérience a fait la une des journaux lorsqu'ils ont détecté deux événements anormaux au cours de deux vols distincts en 2006 et 2014. Les deux événements étaient cohérents avec les impulsions radioélectriques se propageant vers le haut produites par les neutrinos voyageant à travers la terre. Le problème était que les angles et énergies d'arrivée mesurés des neutrinos étaient beaucoup plus élevés que le flux de neutrinos attendu. Les neutrinos doivent avoir parcouru plus de 5700 km de terre et avoir des énergies de ~ 0,5 EeV. Puisque nous connaissons le flux de neutrinos à ces énergies à partir d'autres expériences mais aussi de l'ANITA elle-même et de leur taux d'interaction, il n'y avait tout simplement aucun moyen qu'ils auraient pu survivre en voyageant à travers autant de roches.

Une explication possible était que les neutrinos provenaient d'une source ponctuelle intense. Une sorte d'accélérateur cosmique, comme un trou noir supermassif, qui jette un faisceau étroit de neutrinos de haute énergie. Cette explication a été réfutée plus tôt cette année par la collaboration IceCube qui a effectué une recherche de telles sources ponctuelles dans le sens des événements de l'ANITA mais n'a rien trouvé. Si les deux événements ANITA provenaient d'une source ponctuelle, IceCube aurait dû en détecter beaucoup plus, ce qu'ils n'ont pas fait.

Les deux seules explications restantes pour les événements anormaux étaient une erreur systématique ou une nouvelle physique. En fait, lorsque le résultat ANITA est sorti pour la première fois, un membre de la collaboration a sauté le pistolet et a tweeté qu'il pensait qu'ils venaient de casser le modèle standard de la physique des particules. C'est un comportement typique des scientifiques qui ont l'impression d'avoir fait une découverte inattendue et vous ne pouvez pas vraiment les blâmer d'avoir été surexcités. Cependant, dans de nombreux cas, cela conduit à l'embarras lorsque le résultat s'avère être juste un coup de chance. Quelques exemples récents de cela incluent les fausses détections de neutrinos supraluminiques et les signatures d'ondes gravitationnelles dans le fond micro-ondes cosmique.

Quand les tabloïdes interprètent la physique

En avril, New Scientist a publié un article sur l'anomalie ANITA où ils ont cité un article plus ancien de 2018 par un autre groupe de physiciens théoriciens qui interprète les événements comme la preuve d'une théorie où notre univers est l'image en miroir d'un autre univers qui existait avant le big bang . L'histoire a été immédiatement reprise par plusieurs tabloïds comme le UK Daily Star sous le titre

"Les scientifiques de la NASA détectent un univers parallèle" à côté du nôtre "où le temps passe en arrière"

On peut immédiatement voir ce qui ne va pas avec ce titre. Premièrement, il relie la NASA qui fonde ANITA avec le document de théorie d'un groupe entièrement différent. Deuxièmement, il prétend que la théorie était un fait au lieu d'être simplement l'une des nombreuses interprétations des données et même peu probable. Les chercheurs de l’ANITA de l’Université d’Hawaï étaient manifestement agacés par la fausse couverture médiatique et ont publié un communiqué de presse pour préciser qu’ils ne sont en aucun cas affiliés à la théorie sur l’univers parallèle. Il faut souligner que le document de théorie a été écrit par des physiciens respectables et ne doit pas être considéré comme louche.

Ce n'est certainement pas la première fois que les médias prennent la spéculation scientifique au pied de la lettre. La découverte de matière noire, par exemple, a été faussement annoncée à plusieurs reprises par les principales nouvelles au cours des dernières années, chaque fois qu'une expérience a publié un résultat qui contenait des événements inexplicables. Comme dans le cas des chercheurs de l'ANITA, dans ces cas également, les scientifiques ont pris soin de ne faire aucune déclaration de découverte dans leurs publications. Habituellement, cela nécessite une confirmation par une autre expérience, comme la découverte du boson de Higgs devait être vue par les détecteurs ATLAS et CMS. Les journalistes sont moins attentifs à faire de telles affirmations car cela fait simplement de meilleurs titres.

Quelle est donc l'explication la plus probable du résultat ANITA? Il existe de nombreux articles qui tentent d'expliquer les événements avec des scénarios de physique au-delà du modèle standard, mais certaines personnes ont également proposé des solutions plus banales. Un groupe de chercheurs a souligné que les signaux radio réfléchis légèrement sous la surface de la glace peuvent se produire sans inversion de phase. Il existe également une explication possible en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec le champ magnétique terrestre. De futures expériences comme la charge utile proposée pour les observations à ultra-haute énergie (PUEO), le successeur du programme ANITA, pourraient éclairer davantage cette question. De plus, la collaboration ANITA analyse toujours les données de son dernier vol, et nous attendons avec impatience les résultats.

Image de la bannière: Université de Madison-Wisconsin.

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