La détection d’antineutrinos de haute énergie confirme une théorie vieille de 60 ans Astronomie et physique

Le 6 décembre 2016, une particule de haute énergie appelée antineutrino électronique s’est précipitée sur la Terre depuis l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière, transportant 6,3 pétaélectronvolts (PeV) d’énergie. Dans les profondeurs de la calotte glaciaire du pôle Sud, elle a percuté un électron et produit une particule appelée W boson, qui s’est rapidement désintégrée en une cascade de particules de haute énergie (une pluie de particules). L’interaction a été captée par l’observatoire de neutrinos IceCube, un télescope d’un kilomètre cube qui détecte les neutrinos à l’aide de milliers de capteurs intégrés dans la glace de l’Antarctique. Il s’agit de la première observation d’un “événement de résonance de Glashow”, un phénomène proposé pour la première fois par le physicien Sheldon Glashow, lauréat du prix Nobel, en 1960, et qui suggère la présence d’antineutrinos électroniques dans le flux astrophysique, tout en fournissant une validation supplémentaire du modèle standard de la physique des particules.

Une visualisation de l'événement de résonance de Glashow détecté par IceCube. Crédit image : Collaboration IceCube.

Une visualisation de l’événement de résonance de Glashow détecté par IceCube. Crédit image : IceCube Collaboration.

Sheldon Glashow, alors chercheur postdoctoral à l’actuel Institut Niels Bohr, a prédit qu’un antineutrino pouvait interagir avec un électron pour produire une particule alors inconnue par un processus connu sous le nom de production résonante.

Lorsque la particule proposée, le W boson, a finalement été découverte en 1983, elle s’est avérée être beaucoup plus lourde que ce que Glashow et ses collègues avaient prévu en 1960.

Production du boson W par résonance de Glashow nécessiterait donc un neutrino d’une énergie de 6,3 pétaélectronvolts (PeV), soit près de 1 000 fois plus énergétique que ce que le Grand collisionneur de hadrons du CERN est capable de produire.

Un tel phénomène était probablement responsable de l’antineutrino de 6,3 PeV qui a atteint IceCube en 2016, avec une énergie suffisamment importante pour interagir via la résonance de Glashow prédite.

“Lorsque Glashow était postdoc à Niels Bohr, il n’aurait jamais pu imaginer que sa proposition non conventionnelle pour produire le W boson serait réalisée par un antineutrino provenant d’une galaxie lointaine et s’écrasant sur la glace de l’Antarctique”, a déclaré le professeur Francis Halzen, chercheur principal d’IceCube à l’université de Wisconsin-Madison.

Mais l’événement de résonance de Glashow est particulièrement remarquable en raison de son énergie remarquablement élevée ; c’est seulement le troisième événement détecté par IceCube avec une énergie supérieure à 5 PeV.

“L’observation de cet événement démontre que le modèle standard de la physique des particules, qui décrit les forces fondamentales de l’Univers, est valable même à des énergies extrêmement élevées, et démontre également les capacités uniques d’IceCube à explorer la physique fondamentale des particules”, a déclaré le professeur Doug Cowen, chercheur à l’Université d’État de Pennsylvanie et membre de la collaboration IceCube.

“La découverte n’était pas nécessairement une surprise, mais cela ne signifie pas que nous n’étions pas très heureux de la voir”, a déclaré le Dr Claudio Kopper, chercheur à l’Université d’État du Michigan et membre de la collaboration IceCube.

“Nous pouvons maintenant détecter des événements neutrinos individuels qui sont indubitablement d’origine extraterrestre”.

L'antineutrino électronique qui a créé l'événement de résonance de Glashow a parcouru une bonne distance avant d'atteindre IceCube. Crédit image : Collaboration IceCube.

L’antineutrino électronique à l’origine de la résonance de Glashow a parcouru une grande distance avant d’atteindre IceCube. Crédit image : IceCube Collaboration.

Ce résultat ouvre également un nouveau chapitre de l’astronomie des neutrinos, car il permet de distinguer les neutrinos des antineutrinos, qui étaient jusqu’à présent indissociables.

C’est la première mesure directe d’une composante antineutrinos du flux de neutrinos astrophysiques.

“Ce résultat prouve la faisabilité de l’astronomie des neutrinos – et la capacité d’IceCube à la réaliser – qui jouera un rôle important dans la future physique des astroparticules multimessagers”, a déclaré le Dr Christian Haack, chercheur au Physikalisches Institut de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle et membre de la collaboration IceCube.

“Les mesures précédentes n’étaient pas sensibles à la différence entre les neutrinos et les antineutrinos, ce résultat est donc la première mesure directe d’une composante antineutrinos du flux de neutrinos astrophysiques”, a déclaré le Dr Lu Lu, chercheur à l’Université de Chiba et membre de la collaboration IceCube.

Plusieurs questions subsistent cependant quant à la source astronomique de l’antineutrino.détecté en 2016.

“Il y a un certain nombre de propriétés des sources d’un neutrino astrophysique que nous ne pouvons pas mesurer, comme la taille physique de l’accélérateur et l’intensité du champ magnétique dans la région d’accélération”, a déclaré le Dr Tianlu Yuan, chercheur à l’Université de Wisconsin-Madison et membre de la collaboration IceCube.

“Si nous pouvons déterminer le rapport neutrino/antineutrino, nous pouvons directement étudier ces propriétés.”

Les résultats ont été publiés dans l’édition du 11 mars 2021 de la revue. Nature.

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