Les neutrinos sont des particules subatomiques qui sont connues pour passer à travers tout et n’importe quoi. Aujourd’hui, les physiciens ont démontré que notre planète arrête les neutrinos de haute énergie – ils ne traversent pas tout. L’expérience a été réalisée à l’aide de l’observatoire IceCube, un réseau de 5 160 capteurs de la taille d’un ballon de basket, gelés dans les profondeurs d’un km3 de glace très claire près du pôle Sud.
Cette image montre une représentation visuelle de l’une des détections de neutrinos de plus haute énergie superposée à une vue de l’observatoire IceCube au pôle Sud. Crédit image : Collaboration IceCube.
Les neutrinos sont parmi les particules les plus abondantes du cosmos. N’ayant pratiquement aucune masse et aucune charge, ils interagissent rarement avec la matière. Des dizaines de trillions de neutrinos traversent notre corps chaque seconde.
La théorie prévoit qu’à des énergies élevées – plus élevées que celles qui peuvent être générées par n’importe quel accélérateur de particules terrestre – on peut s’attendre à ce que les neutrinos interagissent avec la matière et soient absorbés par la Terre au lieu de continuer à traverser le cosmos.
Les premières détections de neutrinos d’extrêmement haute énergie ont été faites par l’observatoire IceCube en 2013, mais le mystère restait entier.
“Nous savions que les neutrinos de plus basse énergie traversent à peu près n’importe quoi, mais bien que nous nous attendions à ce que les neutrinos de plus haute énergie soient différents, aucune expérience précédente n’avait pu démontrer de manière convaincante que les neutrinos de plus haute énergie pouvaient être arrêtés par n’importe quoi”, a déclaré Doug Cowen, professeur à Penn State.
“Nous disons toujours qu’aucune autre particule que le neutrino ne peut traverser la Terre”, a ajouté le professeur Francis Halzen, chercheur principal d’IceCube, de l’université du Wisconsin-Madison.
“Cependant, le neutrino a une infime probabilité d’interagir, et cette probabilité augmente avec l’énergie. Cette probabilité est ce que les scientifiques appellent la section transversale du neutrino.”
La nouvelle mesure d’IceCube a déterminé la section efficace pour des énergies de neutrinos comprises entre 6,3 TeV et 980 TeV, des niveaux d’énergie supérieurs de plus d’un ordre de grandeur aux mesures précédentes. Les neutrinos les plus énergétiques étudiés jusqu’à présent dans les accélérateurs terrestres se situent au niveau d’énergie de 0,4 TeV.
“Les détecteurs d’IceCube n’observent pas directement les neutrinos, mais mesurent des éclairs de lumière bleue, connus sous le nom de rayonnement Cherenkov, émis après une série d’interactions impliquant des particules chargées se déplaçant rapidement qui sont créées lorsque les neutrinos interagissent avec la glace”, ont déclaré les physiciens.
“En mesurant les motifs lumineux de ces interactions dans ou près du réseau de détecteurs, IceCube peut estimer les énergies et les directions de déplacement des neutrinos.”
En analysant une année de données IceCube recueillies entre mai 2010 et mai 2011, ils ont passé 10 800 interactions de neutrinos au microscope.
“Nous avons surtout examiné les neutrinos créés lorsque des rayons cosmiques de haute énergie s’écrasent sur les noyaux d’azote ou d’oxygène de l’atmosphère terrestre. Ces collisions produisent une cascade de particules subatomiques qui peuvent générer des neutrinos”, ont-ils déclaré.
“L’échantillon comprenait également un plus petit nombre de neutrinos probablement créés dans des accélérateurs cosmiques encore à identifier, comme les trous noirs.”
“Nous avons constaté que moins de neutrinos parmi les plus énergétiques parvenaient au détecteur depuis l’hémisphère nord, où les particules devraient traverser la Terre entière, y compris le noyau dense de notre planète, avant d’atteindre les capteurs d’IceCube. À partir de trajectoires moins obstruées, presque horizontales, davantage de neutrinos ont été détectés.”
Les mesures d’IceCube sont conformes au modèle standard de la physique des particules.
“En l’absence de nouvelle physique, le modèle standard nous permet de calculer la section efficace neutrino-proton aux énergies sondées par IceCube”, a déclaré le professeur Halzen.
“Ce que nous mesurons est conforme – jusqu’à présent – à ce qui est attendu. Nous espérions bien sûr l’apparition d’une nouvelle physique, mais nous constatons malheureusement que le modèle standard, comme d’habitude, résiste à l’épreuve.”
“Cependant, l’avantage d’IceCube est sa capacité à mesurer les neutrinos de plus haute énergie, qui sont produits dans les accélérateurs cosmiques – les trous noirs supermassifs, les cœurs violents des galaxies en formation d’étoiles et les amas de galaxies – qu’aucun accélérateur sur Terre ne peut égaler”, a-t-il ajouté.
“Si, par exemple, les données d’IceCube contiennent des preuves de la présence de neutrinos dont la section transversale est supérieure à ce que les scientifiques ont calculé en utilisant le modèle standard, cela pourrait invoquerune nouvelle physique comme des dimensions spatiales compactes et cachées.”
Les résultats sont publiés dans le journal Nature.
