À la recherche des particules les plus énergétiques de l’univers, les astronomes allument la radio

Depuis leur découverte dans les années 1960, les rayons cosmiques à ultra haute énergie ont captivé les scientifiques, qui se demandent d’où ils viennent. Comme tous les rayons cosmiques, ils sont sans doute mal nommés: ce ne sont pas des «rayons» de rayonnement mais plutôt des particules subatomiques, telles que des protons ou même des noyaux entiers, traversant l’espace. De telles énergies ultra-élevées proviennent de vitesses ultra-élevées, se rapprochant de celle de la lumière elle-même.

Pour être considéré comme «ultra-élevé», un rayon cosmique doit porter de l’ordre d’un quintillion d’électrons volts, ou de 1000 pétaélectrons volts (PeV), d’énergie cinétique, soit environ un centième de ce qui serait nécessaire pour capturer un seul caractère sur un clavier. Pousser autant d’énergie dans un objet aussi minuscule – un billion de fois plus petit qu’un grain de poussière – dépasse de loin les capacités des accélérateurs de l’humanité, qui, au mieux, ne parviennent à produire des particules qu’avec environ l’énergie d’un moucheron volant.

Et aussi époustouflant qu’un rayon cosmique moyen à ultra-haute énergie puisse être, les très rares surperformants que les chercheurs ont réussi à observer sont vraiment étonnants, transportant des énergies jusqu’à 300 fois plus grandes – un énorme 300 000 PeV. Pour référence, cela signifie qu’un projectile subatomique particulièrement rapide sortant de l’espace lointain peut emballer le coup d’une balle de tennis bien frappée.

Les astrophysiciens ne savent pas encore ce qui accélère exactement ces particules à des vitesses aussi ridicules, mais ils souhaitent désespérément le savoir. Les seuls coupables plausibles sont des événements véritablement cataclysmiques – tels que la mort explosive d’étoiles massives ou l’alimentation vorace de trous noirs supermassifs au-delà de la Voie lactée – ce qui signifie que ces particules extraordinaires doivent être des messagers des profondeurs de l’espace extragalactique, porteurs de secrets de certains la physique la plus extrême de l’univers.

Il y a cependant un gros problème. En tant que particules chargées, tous les rayons cosmiques sont détournés lors de leurs voyages par les champs électromagnétiques avec lesquels ils entrent en contact, ce qui rend presque impossible de les retracer jusqu’à leurs véritables origines célestes. Heureusement, les chercheurs ont découvert que la nature offre une autre voie à suivre: étudier les neutrinos, des particules électriquement neutres que l’on pense être produites dans les mêmes sources que les rayons cosmiques les plus énergétiques eux-mêmes.

«Je considère les neutrinos comme la particule messagère parfaite», déclare Abigail Vieregg, astrophysicienne à l’Université de Chicago. «Ils sont uniques en ce sens qu’ils voyagent de loin dans l’univers sans interagir avec quoi que ce soit ni se plier dans des champs magnétiques sur leur chemin ici.»

Sonder l’univers avec des neutrinos

Un neutrino moyen a 50 à 50 chances de traverser une année-lumière entière de plomb – 9,5 billions de kilomètres de métal dense – entièrement indemne. Cette profonde distanciation donne aux particules un avantage sur les autres messagers: comme ils interagissent rarement avec la matière, les neutrinos pointent directement vers leur origine. Mais c’est une épée à double tranchant. Une conséquence inévitable de la traversée de l’univers comme s’il était transparent est que les neutrinos traversent généralement les détecteurs sur Terre de la même manière – sans laisser de trace.

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Pour augmenter les chances de voir un neutrino, les scientifiques doivent construire de gigantesques détecteurs comme l’expérience IceCube au pôle Sud, qui consiste en un kilomètre cube de glace antarctique équipé d’un réseau de capteurs optiques. En tant que plus grand observatoire de neutrinos au monde, IceCube recherche des éclairs de lumière émis par des gerbes de particules chargées produites lorsque des neutrinos entrent en collision avec des molécules dans la glace. En 2018, IceCube a signalé un neutrino d’un blazar à torchage géant. Et pas plus tard qu’en février, il a vu des preuves d’un neutrino d’une étoile déchirée par un trou noir.

Mais aux énergies les plus élevées, «IceCube s’essouffle», dit Vieregg, notant qu’il faudrait au moins 100 kilomètres cubes de glace pour avoir une chance raisonnable d’observer les traces optiques de neutrinos à ultra-haute énergie parce que les particules se sont accélérées à un tel niveau. les vitesses extrêmes sont extrêmement rares. Le problème réside dans l’espacement entre les unités de détection: la lumière ne peut parcourir que quelques dizaines de mètres dans la glace avant de se disperser ou d’être absorbée, le réseau optique doit donc être compacté de manière dense, limitant strictement la taille du détecteur réalisable.

Ainsi, les sources de particules à ultra haute énergie restent à découvrir car un observatoire de type IceCube de 100 kilomètres cubes dépasse de loin les limites de la faisabilité technique et financière. Dans leur quête pour observer le premier neutrino à ultra haute énergie, les astrophysiciens se sont plutôt concentrés sur l’approche plus économique de la détection radio. Les ondes radio peuvent parcourir des centaines de mètres plus loin dans la glace que la lumière optique, de sorte qu’un réseau d’unités de détection plus clairsemé peut être construit pour couvrir un volume beaucoup plus important à une fraction du coût.

«La radio est l’avenir», déclare Tonia Venters, astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA. «Je le considère comme une sonde complémentaire avec le potentiel de faire ce que nous trouvons très difficile avec d’autres techniques de détection.»

Émission radio de neutrinos

L’émission radio des pluies de particules chargées dans des matériaux comme la glace est encore plus intense que les signaux optiques à ultra-hautes énergies, ce qui en fait une sonde attrayante dans l’univers extrême. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Askaryan, d’après le physicien russo-arménien Gurgen Askaryan, qui l’avait prédit pour la première fois en 1962.

Mais les premières tentatives d’observation de l’effet Askaryan se sont avérées infructueuses, ce qui a conduit à un scepticisme généralisé quant à son utilisation dans la détection de particules à ultra-haute énergie. «Il y avait beaucoup de doute quant à savoir s’il s’agissait d’un effet réel», déclare Peter Gorham, astrophysicien à l’Université d’Hawaï à Mānoa. «Peu de physiciens des particules à haute énergie prenaient cela au sérieux.»

Néanmoins, une petite équipe de physiciens résilients a persévéré et le domaine a atteint un tournant en 2000, lorsqu’ils ont confirmé l’effet Askaryan à l’arrière d’une remorque au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).

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Aujourd’hui, près de 60 ans après la prédiction d’Askaryan, la détection des neutrinos en régime radio ne fait que décoller. «La nouvelle physique qui pourrait en sortir n’est même pas quelque chose dont nous pouvons rêver», déclare Gorham, qui était membre de l’équipe du SLAC. «Nous découvrirons la nature des accélérateurs cosmiques et observerons des régions de l’espace énergétique auxquelles nous ne pouvons accéder d’aucune autre manière.»

Efforts radio de nouvelle génération

Dirigé par Gorham à l’Université d’Hawaï à Mānoa, un effort pionnier dans la radioastronomie des neutrinos était ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), qui a commencé à collecter des données en 2006. Composé d’un ensemble d’antennes progressivement mis à jour sous un ballon d’hélium géant, ANITA a mené quatre campagnes d’observation d’environ un mois sur une période de 10 ans, en montant à chaque fois plusieurs kilomètres dans les airs pour balayer la calotte glaciaire antarctique ci-dessous pour détecter les signes d’émission radio des frappes de neutrinos à ultra haute énergie.

En janvier, la NASA a financé le Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO), une expérience de nouvelle génération qui s’appuiera sur l’héritage de l’ANITA. Leur perspective à haute altitude donne aux détecteurs à ballons tels que ANITA et PUEO un avantage unique sur les expériences au sol, car ils peuvent surveiller plus d’un million de kilomètres carrés de glace dans leurs recherches de neutrinos. Le premier vol de PUEO est prévu en 2024, et il intégrera de multiples avancées technologiques sur ANITA pour une sensibilité accrue à plus d’énergies, ainsi qu’un taux d’événements de neutrinos plus élevé.

Mais le champ de vision élargi dont se vantent les recherches par ballon est contrebalancé par le fait que, précisément parce que les réseaux d’antennes volent si loin au-dessus de la glace, ils peuvent ne pas être en mesure de voir les émissions radio de signaux neutrinos plus faibles. Un autre inconvénient est la réalité des conditions météorologiques difficiles: les mauvaises conditions sont une perturbation régulière pour tout type de travail en ballon au-dessus de la calotte glaciaire antarctique. Pour résoudre ces problèmes, les astrophysiciens adoptent une approche du «meilleur des deux mondes», créant de nouveaux réseaux radio à l’intérieur de grands volumes de glace qui peuvent ensuite fonctionner en tandem avec des expériences sur ballon pour une couverture énergétique plus large. Précédés par une série de petits efforts, les chercheurs se préparent à installer le Radio Neutrino Observatory au Groenland (RNO-G), une expérience dans la glace menée par l’Université de Chicago.

«Le RNO-G sera le plus grand détecteur radio jamais construit dans la glace, avec 35 stations d’antennes installées au cours des trois prochaines années», déclare Stephanie Wissel, astrophysicienne de la Pennsylvania State University impliquée dans la construction de l’observatoire. De nombreux chercheurs sont optimistes que RNO-G permettra bientôt un premier aperçu de l’univers extrême avec la première détection d’un neutrino à ultra haute énergie.

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Mais sinon, le concept de réseau radio dans la glace sera étendu pour être utilisé dans le successeur proposé d’IceCube, IceCube-Gen2, qui disposera de 200 stations d’antennes entourant un système optique amélioré. «IceCube peut voir des neutrinos jusqu’à environ 10 peta-électron volts. Mais avec l’ajout de la composante radio, cela ira jusqu’à des milliers, voire des centaines de milliers », déclare Vieregg, qui est le chercheur principal du PUEO et du RNO-G. Cette portée énergétique étendue ne représente que 10% du budget total d’IceCube-Gen2, un clin d’œil impressionnant à la rentabilité de la détection radio.

Une stratégie de détection plus novatrice recherchera les ondes radio provenant des pluies de particules chargées dans l’air plutôt que dans la glace. Les premiers résultent de l’interaction des neutrinos sous terre, près de la surface de notre planète: dans les bonnes conditions, ces neutrinos qui écrément la Terre peuvent créer des particules de haute énergie qui s’échappent dans l’atmosphère et se désintègrent en vastes averses radio-émettrices.

C’est la stratégie du Giant Radio Array for Neutrino Detection, ou GRAND – un nom approprié pour une expérience de sa taille énorme. Organisée et financée par des institutions en France, en Chine, aux Pays-Bas et au Brésil, la collaboration internationale GRAND espère découvrir les origines des rayons cosmiques à ultra haute énergie avec une proposition ambitieuse pour un réseau radio de 200000 km2 (soit un réseau d’environ la taille du Nebraska).

«L’idée est de construire non pas un réseau monolithique mais 20 réseaux de 10 000 antennes chacun», explique Mauricio Bustamante, astrophysicien à l’Université de Copenhague, co-auteur de la proposition de GRAND. Les emplacements de ces réseaux sont importants, explique-t-il, car ils doivent se trouver dans des zones «radio-silencieuses», loin des sources artificielles d’émissions radio importantes. À ce jour, GRAND a identifié quelques sites éloignés dans les montagnes du Tian Shan en Asie centrale, avec des plans pour rechercher des emplacements supplémentaires partout dans le monde.

Avec une variété d’expériences radio de nouvelle génération en cours, la communauté astrophysique bourdonne d’idées sur ce que l’avenir pourrait nous réserver après la découverte de l’un des messagers les plus énergiques et insaisissables de la nature. «J’anticipe fortement la découverte du premier neutrino à ultra haute énergie», déclare Wissel. “Je ne sais pas quelle expérience le fera en premier, mais cela ouvrira une nouvelle fenêtre sur l’univers avec beaucoup de potentiel de découverte.”

Et pour les scientifiques familiers avec l’histoire du domaine, l’exploration de nouvelles frontières cosmiques est une ode au passé: la physique s’est épanouie au XXe siècle en étudiant les particules provenant du ciel. «C’est une tournure naturelle des événements que nous retournons aux accélérateurs cosmiques lorsque nous voulons en savoir plus que ce que nos propres machines peuvent nous dire», dit Bustamante. «C’est tout le but de l’étude des particules les plus énergétiques de notre univers.»

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