Un type rare de neutrinos énergétiques envoyés par de puissants objets astronomiques

Environ un billion de minuscules particules appelées neutrinos passe à travers toi à chaque seconde. Créés lors du Big Bang, ces neutrinos « reliques » existent dans tout l’univers, mais ils ne peuvent pas vous nuire. En fait, un seul d’entre eux est susceptible de toucher légèrement un atome de votre corps au cours de votre vie.

La plupart des neutrinos produits par des objets comme les trous noirs ont beaucoup plus d’énergie que les neutrinos reliques flottant dans l’espace. Bien que beaucoup plus rares, ces neutrinos énergétiques sont plus susceptibles de s’écraser sur quelque chose et de créer un signal qui des physiciens comme moi peut détecter. Mais pour les détecter, les physiciens des neutrinos ont dû construire de très grandes expériences.

Glaçonune de ces expériences, a documenté un type particulièrement rare de neutrino astrophysique particulièrement énergétique dans une étude publiée en avril 2024. Ces neutrinos énergétiques se font souvent passer pour d’autres types de neutrinos plus courants. Mais pour la première fois, mes collègues et moi avons réussi à les détecter, en en extrayant quelques-unes de près de 10 ans de données.

Leur présence rapproche les chercheurs comme moi de la découverte du mystère de la production initiale de particules hautement énergétiques telles que les neutrinos astrophysiques.

Observatoire IceCube

Le Observatoire de neutrinos IceCube est le gorille de 800 livres des grandes expériences sur les neutrinos. Il a environ 5 000 capteurs qui ont scruté attentivement une gigatonne de glace sous le pôle Sud pendant plus d’une décennie. Lorsqu’un neutrino entre en collision avec un atome dans la glace, il produit une boule de lumière que les capteurs enregistrent.

Lorsque les neutrinos traversent IceCube, une infime fraction d’entre eux interagira avec les atomes de la glace et produira de la lumière, que les capteurs enregistrent. Dans la vidéo, les sphères représentent des capteurs individuels, la taille de chaque sphère étant proportionnelle à la quantité de lumière qu’elle détecte. Les couleurs indiquent l’heure d’arrivée relative de la lumière, en fonction des couleurs de l’arc-en-ciel, le rouge arrivant le plus tôt et le violet le plus tard.

IceCube a détecté des neutrinos créés à plusieurs endroits, comme le l’atmosphère terrestrele centre du Voie lactée et trous noirs dans d’autres galaxies à plusieurs années-lumière.

Mais le neutrino tau, un type de neutrino particulièrement énergétique, a échappé à IceCube – jusqu’à présent.

Saveurs de neutrinos

Les neutrinos arrivent trois types différents, que les physiciens appellent des saveurs. Chaque saveur laisse une empreinte distincte sur un détecteur comme IceCube.

Lorsqu’un neutrino heurte une autre particule, il produit généralement une particule chargée qui correspond à sa saveur. Un neutrino muonique produit un muon, un neutrino électronique produit un électron et un neutrino tau produit un tau.

Les neutrinos à saveur de muon ont la signature la plus distinctive, c’est pourquoi mes collègues et moi de la collaboration IceCube les avons naturellement recherchés en premier. Le muon émis lors d’une collision de neutrinos muoniques traversera des centaines de mètres de glace, créant une longue traînée de lumière détectable, avant de se désintégrer. Cette trace permet aux chercheurs de retracer l’origine du neutrino.

L’équipe s’est ensuite penchée sur les neutrinos électroniques, dont les interactions produisent une boule de lumière à peu près sphérique. L’électron produit par une collision de neutrinos électroniques ne se désintègre jamais et il heurte toutes les particules de glace dont il s’approche. Cette interaction laisse une boule de lumière en expansion dans son sillage avant que l’électron ne s’immobilise enfin.

Comme la direction du neutrino électronique est très difficile à discerner à l’œil nu, les physiciens d’IceCube ont appliqué techniques d’apprentissage automatique pour indiquer l’endroit où les neutrinos électroniques auraient pu être créés. Ces techniques utilisent des ressources informatiques sophistiquées et ajustent des millions de paramètres pour séparer les signaux de neutrinos de tous les bruits de fond connus.

La troisième saveur du neutrino, le neutrino tau, est le caméléon du trio. Un neutrino tau peut apparaître comme une trace de lumière, tandis que le suivant peut apparaître comme une boule. La particule tau créée lors de la collision se déplace pendant une infime fraction de seconde avant de se désintégrer, et lorsqu’elle se désintègre, elle produit généralement une boule de lumière.

Ces neutrinos tau créer deux boules de lumière, celui où ils heurtent initialement quelque chose et créent un tau, et celui où le tau lui-même se désintègre. La plupart du temps, la particule tau se désintègre après avoir parcouru une très courte distance, ce qui fait que les deux boules de lumière se chevauchent tellement qu’elles sont impossibles à distinguer d’une seule boule.

Mais à des énergies plus élevées, la particule tau émise peut parcourir des dizaines de mètres, créant ainsi deux boules de lumière séparées l’une de l’autre. Les physiciens armés de ces techniques d’apprentissage automatique peuvent voir clair et trouver l’aiguille dans la botte de foin.

Neutrinos Tau énergétiques

Grâce à ces outils informatiques, l’équipe a réussi à extraire sept neutrinos tau candidats puissants à partir d’environ 10 ans de données. Ces taus avaient des énergies plus élevées que même les accélérateurs de particules les plus puissants sur Terre, ce qui signifie qu’ils doivent provenir de sources astrophysiques, telles que les trous noirs.

Ces données confirment l’hypothèse d’IceCube découverte antérieure des neutrinos astrophysiques, et ils confirment un indice qu’IceCube avait précédemment détecté des neutrinos tau astrophysiques.

Ces résultats suggèrent également que même aux énergies les plus élevées et sur de grandes distances, les neutrinos se comportent à peu près de la même manière comme ils le font à des énergies plus basses.

En particulier, la détection de neutrinos astrophysiques du tau confirme que les neutrinos énergétiques provenant de sources lointaines changer de saveur, ou osciller. Les neutrinos à des énergies beaucoup plus faibles et parcourant des distances beaucoup plus courtes oscillent également de la même manière.

À mesure qu’IceCube et d’autres expériences sur les neutrinos recueillent davantage de données et que les scientifiques parviennent mieux à distinguer les trois saveurs de neutrinos, les chercheurs pourront éventuellement deviner comment sont produits les neutrinos provenant des trous noirs. Nous voulons également savoir si l’espace entre la Terre et ces lointains accélérateurs de neutrinos astrophysiques traite les particules différemment en fonction de leur masse.

Il y aura toujours moins de neutrinos tau énergétiques et de leurs cousins ​​muons et électroniques que les neutrinos plus courants issus du Big Bang. Mais il y en a suffisamment pour aider les scientifiques comme moi à rechercher les émetteurs de neutrinos les plus puissants de l’univers et à étudier l’espace illimité qui les sépare.

Doug Cowen est professeur de physique et professeur d’astronomie et d’astrophysique à Penn State. Cet article est republié à partir de La conversation sous un Licence Creative Commons. Lis le article original.