Un rendu de ce à quoi PUEO peut ressembler une fois déployé. Chaque parabole blanche est une antenne radio ; les signaux de chaque antenne sont combinés afin de capter les signaux des neutrinos de haute énergie traversant la glace antarctique. Crédit : Rendu avec l’aimable autorisation de Christian Miki de l’Université d’Hawaï
Nasa donne son feu vert à une expérience de ballon multi-institutions de 20 millions de dollars dirigée par des scientifiques d’UCicago.
Parfois, une question est si vaste qu’il faut un continent pour y répondre.
Université de Chicago La physicienne Abby Vieregg dirige une expérience internationale qui utilise essentiellement la glace de l’Antarctique comme détecteur géant pour trouver des particules extrêmement énergétiques provenant de l’espace. Récemment approuvé par la NASA, le projet de 20 millions de dollars construira un instrument pour voler au-dessus de l’Antarctique dans un ballon, lancé en décembre 2024.
“Nous recherchons les neutrinos les plus énergétiques de l’univers”, a déclaré Vieregg, professeur agrégé au département de physique. « Ils sont fabriqués dans les endroits les plus énergétiques et extrêmes du cosmos, et ces neutrinos offrent un aperçu unique de ces lieux. Trouver un ou plusieurs d’entre eux pourrait nous permettre d’apprendre des choses complètement nouvelles sur l’univers.
Le nouveau projet approuvé par la NASA partage son nom avec le pueo (Asio flammeus), le seul hibou vivant originaire d’Hawaï.
La collaboration internationale de 12 institutions construira un détecteur radio attaché à un ballon à haute altitude, qui sera lancé par la NASA et voyagera au-dessus de l’Antarctique à 120 000 pieds, à la recherche de signaux de neutrinos. Le projet révolutionnaire s’appelle PUEO, abréviation de Payload for Ultrahigh Energy Observations. (Il partage son nom avec le seul hibou vivant originaire d’Hawaï, où l’expérience précédente de PUEO est née.)
‘Une belle façon de regarder l’univers’
Les neutrinos sont souvent appelés particules « fantômes » car ils interagissent très rarement avec la matière. Des milliards passent inoffensifs à travers votre corps chaque seconde.
Parce qu’ils peuvent parcourir d’énormes distances sans être déformés ou détournés, les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers, y compris les collisions cosmiques, les galaxies et les trous noirs où ils sont créés.
“Les neutrinos sont une belle façon de regarder l’univers, car ils voyagent sans entrave dans l’espace”, a déclaré Vieregg. “Ils peuvent venir de très loin, et ils ne sont pas brouillés en cours de route, alors ils indiquent d’où ils viennent.”
Les scientifiques ont détecté quelques neutrinos de l’espace extra-atmosphérique entrant dans l’atmosphère terrestre. Mais ils pensent qu’il y a encore plus de neutrinos qui transportent des énergies extraordinairement élevées – plusieurs ordres de grandeur plus élevés que même les particules accélérées au Grand collisionneur de hadrons en Europe – et n’ont jamais encore été détectés. Ces neutrinos pourraient nous renseigner sur les événements les plus extrêmes de l’univers.
C’est-à-dire si vous pouvez les attraper.
Ces neutrinos interagissent si rarement avec d’autres formes de matière que Vieregg devrait construire un énorme détecteur de la taille d’un pays pour les attraper. Ou elle peut en utiliser une qui existe déjà : la couche de glace au sommet de l’Antarctique.
“La calotte glaciaire est parfaite – un bloc homogène, dense et radiotransparent qui s’étend sur des millions de kilomètres carrés”, a déclaré Vieregg. « C’est presque comme si nous l’avions conçu. »
Les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers.
Si l’un de ces neutrinos hautement énergétiques traverse la Terre, il est possible qu’il heurte l’un des atomes à l’intérieur de la calotte glaciaire de l’Antarctique. Cette collision produit des ondes radio qui traversent la glace. Ce signal radio est ce que PUEO détecterait lorsqu’il flotterait au-dessus de l’Antarctique.
Pour ce faire, il a besoin d’un équipement très, très spécial.
La prochaine génération
PUEO est la prochaine génération d’une mission appelée ANITA, basée à l’Université d’Hawaï, qui a survolé l’Antarctique à bord de ballons de la NASA à quatre reprises entre 2006 et 2016 pour rechercher des neutrinos similaires. PUEO, cependant, aura un détecteur beaucoup plus puissant.
Le nouveau détecteur exploite la puissance d’une vieille astuce d’astronomie, une technique appelée interférométrie, qui combine les signaux de plusieurs télescopes. PUEO est parsemé d’antennes radio, et un système central d’acquisition de données fusionnera et analysera ces signaux pour créer un signal plus fort.
PUEO sera lancé depuis l’Antarctique, tout comme son prédécesseur l’expérience ANITA en 2016 (ci-dessus). De gauche à droite : les scientifiques Cosmin Deaconu, Eric Oberla et Andrew Ludwig, PhD’19. Crédit : UChicago
Un signal plus fort serait un bond en avant significatif, car il aiderait les scientifiques à détecter les signaux importants du bruit provenant de toutes les directions. “Il y a des téraoctets de données entrant dans le détecteur chaque minute, et nous nous attendons à ce qu’au plus quelques événements sur des milliards soient un neutrino”, a déclaré Cosmin Deaconu, chercheur à UChicago qui travaille sur le logiciel pour PUEO. « Vous ne pouvez pas écrire toutes ces données sur le disque, nous devons donc concevoir un programme pour décider très rapidement quels signaux conserver et lesquels supprimer. »
De nombreux signaux communs voir comme les neutrinos, mais ne le sont pas. Ceux-ci peuvent aller des transmissions par satellite à quelqu’un qui allume un briquet. “Au moins en Antarctique, il n’y a que quelques endroits où les humains pourraient les générer, il est donc plus facile de les exclure”, a déclaré Deaconu. “Mais nous devons même tenir compte de choses comme l’électricité statique, générée par le vent.”
Vieregg et l’équipe ont testé l’idée du réseau interférométrique à commande de phase au sol dans le cadre de deux expériences : l’une appelée ARA au pôle Sud en 2018, et une autre appelée RNO-G au Groenland à l’été 2021. Les deux ont montré une augmentation significative des performances. par rapport aux conceptions précédentes, ce qui rend le détecteur aérien de PUEO d’autant plus prometteur. “PUEO aura une sensibilité 10 fois supérieure à celle de tous les vols précédents d’ANITA réunis”, a déclaré Vieregg.
“Trouver un ou plusieurs de ces neutrinos pourrait nous permettre d’apprendre des choses complètement nouvelles sur l’univers.”
– Assoc. Pr Abby Vieregg
Dans les prochains mois, l’équipe construira des prototypes pour PUEO et finalisera la conception. Une fois la mise en page finale, de petites équipes dans des institutions à travers le pays construiront des parties de l’instrument, qui seront ensuite assemblées et testées à UChicago. “Par exemple, nous voulons nous assurer qu’il peut gérer le vide de l’espace proche”, a déclaré Eric Oberla, chercheur à UChicago qui construit le matériel de PUEO. « Il est plus difficile de dissiper la chaleur lorsqu’il n’y a pas d’air pour l’éloigner, ce qui peut être un problème pour l’électronique, nous allons donc effectuer des tests dans une chambre à vide ici sur le campus et plus tard dans une grande chambre de la NASA pendant la campagne d’intégration des instruments. »
De là, PUEO sera expédié vers une installation de la NASA en Palestine, au Texas, pour des tests finaux avant d’être envoyé à la station de lancement en Antarctique.
Selon les conditions météorologiques, le détecteur pourrait voler pendant un mois ou plus, collecter des données et les transmettre au sol, où les scientifiques le passeront au peigne fin pour prouver la toute première détection de neutrinos à haute énergie.
“Nous sommes ravis que la mission de ballon stratosphérique PUEO soit incluse dans le groupe inaugural de missions Pioneers, et nous attendons avec impatience la grande science qu’elle reviendra”, a déclaré Michael Garcia, responsable à la NASA/HQ du programme Pioneers in Astrophysics, qui finance l’expérience.
Le programme Pioneers a permis aux scientifiques de “rêver grand”, a déclaré Vieregg. « Nous pourrions dire : « Si nous pouvions construire tout ce que nous voulions, que pourrions-nous faire ? » »
“C’est une expérience de découverte, ce qui signifie que rien n’est garanti”, a-t-elle ajouté. “Mais toutes les indications indiquent qu’il y a quelque chose à découvrir pour nous, et même quelques neutrinos seraient une découverte scientifique incroyable.”
