Des particules mystérieuses détectées en Antarctique annoncent-elles une nouvelle physique ?

Les neutrinosneutrinos sont des particules de matière, initialement découverts en relation avec la radioactivité, et qui existent sous trois formes. Ce sont des leptons et des fermions comme les électrons et, depuis quelques décennies, les astrophysiciensastrophysiciens s'en servent pour sonder le cœur du Soleil, de la Terre et aussi pour mieux comprendre les explosions de supernovaesupernovae. Il existe un bain de neutrinos à basses énergies issus du Big Bang dans lequel nous sommes tous plongés mais également aussi des faisceaux de ces particules à de très hautes énergiesénergies sous forme de rayons cosmiquesrayons cosmiques. On pense qu'ils sont produits indirectement par des processus liés aux trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs, au cœur des noyaux actifs des galaxiesnoyaux actifs des galaxies, qui se présentent sous forme de blazarsblazars, mais peut-être aussi à d'autres astresastres ou phénomènes inconnus.

On a donc développé une astronomie des neutrinos non seulement dans le but de mieux comprendre les objets astrophysiquesastrophysiques mais aussi parce que ces particules posent de nombreuses questions qui ne trouvent pas vraiment de réponses dans le cadre du modèle standardmodèle standard de la physiquephysique des particules. L'étude des neutrinos cosmiques pourrait par conséquent nous ouvrir des fenêtresfenêtres sur une nouvelle physique, par exemple celle de la supergravité, que nous pourrions ne pas être en mesure d'atteindre avec les accélérateurs de particules terrestres, lesquels ne sauraient égaler en énergie des accélérateurs de particules cosmiques tels les blazars. Cette astronomie neutrino complète idéalement celles faites avec les ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques et gravitationnelles pour faire de l'astronomie multimessager.

L'Antarctique et sa glace, un détecteur géant de neutrinos cosmiques

Plusieurs instruments pour explorer le domaine de l'astronomie des neutrinos ont ainsi été construits, notamment un dans les glaces de l'AntarctiqueAntarctique appelé IceCube, ainsi que des programmes de recherche divers comme celui mené depuis quelques années avec des détecteurs à bord d'une nacelle, portée par un ballonballon dans le cadre de l'expérience Antarctic Impulsive Transient Antenna (Anita). Ce ballon a volé à quatre reprises depuis 2006 au-dessus de l'Antarctique or, il a détecté au cours de ses voyages trois impulsions radio dont deux particulièrement énigmatiques, nécessairement produites par l'arrivée sur Terre de particules cosmiques à des énergies de l'ordre de 0,5 Exa-electron-voltvolt (Eev), soit 500.000 TeV -- pour mémoire, les collisions au LHCLHC atteignent des énergies de seulement 13 TeV.

L'expérience Anita a été lancée parce que l'on savait que des neutrinos de hautes énergies traversant la glace de l'Antarctique allaient produire indirectement des impulsions radio caractéristiques via notamment un équivalent du fameux effet Tcherenkoveffet Tcherenkov qu'IceCube utilise dans un autre domaine de longueur d'ondelongueur d'onde pour traquer lui aussi des neutrinos de hautes énergies. Un tel neutrino, en traversant ce détecteur, peut parfois produire la création d'un muonmuon (un cousin lourd de l'électron) en entrant en collision avec un des quarksquarks à l'intérieur d'un des protonsprotons d'une moléculemolécule d'eau. Ce muon lui-même provoque ensuite une sorte d'onde de choc électromagnétique similaire à celle d'un avion franchissant le mur du sonmur du son. En 2017, IceCube a ainsi détecté de cette manière un neutrino cosmique dont l'énergie était d'environ 290 TeV, c'est-à-dire presque 45 fois celle des protons circulant dans l'anneau du LHC et de quoi en fabriquer environ 580.000 dans une seule collision de deux protons.

Anita utilise donc un effet similaire, l'effet Askaryan, prédit en 1962 par le physicienphysicien soviéto-arménien, Gurgen Askaryan, qui lui permet de détecter des neutrinos de très hautes énergies. Mais d'autres impulsions radio associées à des gerbes de particules secondaires produites par des neutrinos entrant en interaction avec des noyaux sont aussi détectables par Anita. Les ondes radio produites de ces manières sont aussi plus facilement mises en évidence du fait que la pollution radio est très faible au-dessus de ce continent glacé. Toutefois, les caractéristiques de deux des événements si énergétiques détectés par Anita (avec des gerbes de particules secondaires) posaient problème si l'on voulait les interpréter comme étant causées par des neutrinos de très hautes énergies, au point de défier potentiellement les prédictions du modèle standard de la physique des particules.

Pour en avoir le cœur net, les physiciens, membres de la collaboration IceCube, ont analysé de nouveau les données qu'ils ont collectées depuis des années avec leur détecteur et ils viennent de publier sur arXiv leur conclusion à ce sujet. Sauf erreurs dans les détecteurs d'Anita, il n'est pas possible d'expliquer les événements atypiques avec gerbes observées, à moins de faire intervenir de nouvelles particules, en particulier celles que l'on postule comme candidates au titre de particule de matière noirematière noire comme des axions, les mythiques gravitinosgravitinos de la supergravitésupergravité ou plus généralement, des particules prédites par les théories supersymétriques.

Mais comment les physiciens de IceCube sont-il arrivés à cette conclusion ?

Des neutrinos trop énergétiques pour traverser la Terre

Pour le comprendre, rappelons que les neutrinos sont des particules neutres, sans charge électrique et qui n'interagissent avec les autres particules de matière que via les forces nucléaires faiblesforces nucléaires faibles et la gravitationgravitation. À basses énergies, du genre de celles associées aux réactions de fusionfusion thermonucléaire au cœur du SoleilSoleil, les neutrinos sont très pénétrants. Ils peuvent traverser son enveloppe comme si de rien n'était pour arriver sur Terre presque à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière car ils ont des massesmasses très faibles. Ils pourraient traverser sans interagir avec un des noyaux qui la composent une épaisseur de roche de plusieurs centaines de fois le diamètre de la Terre.

Mais tout change à des énergies élevées. Techniquement, la théorie électrofaiblethéorie électrofaible qui décrit les interactions non gravitationnelles des neutrinos avec la matière fournit ce que l'on appelle une section efficace d'interaction, laquelle donne une probabilité d'interaction qui augmente avec l'énergie. Si donc on augmente l'énergie des neutrinos d'un faisceau de neutrinos, une partie de plus en plus importante de la population de ces particules interagira avec une épaisseur donnée de matière. De fait, on pense que dans les explosions de supernovae, une partie de la force qui les provoque provient du flux des neutrinos à hautes énergies émis par le coeur des étoilesétoiles qui s'effondrent et qui exercent alors une pressionpression sur les couches de matière interne de ces étoiles.

Les deux événements atypiques, produits par des gerbes de particules secondaires et révélés par Anita, permettent de remonter aux caractéristiques des impulsions radio produites par ces gerbes issues de l'interaction des neutrinos avec un noyau d'une molécule de glace. Il faut que les neutrinos qui en soient responsables aient traversé toute l'épaisseur de la Terre et c'est là que les problèmes arrivent. Avec une énergie de l'ordre de 0,5 EeV, de tels neutrinos avaient peu de chance de pouvoir traverser toute notre planète.

Pour chaque neutrino, on doit donc postuler qu'il était le seul survivant d'un faisceau contenant de très nombreux neutrinos à hautes énergies. On doit postuler aussi qu'il doit être produit par une source peu étendue sur la voûte céleste, un blazar par exemple. Si tel est bien le cas, IceCube devrait avoir vu également une partie de ce faisceau avec, là aussi, une direction relativement bien définie mais associée à des neutrinos aux plus basses énergies accessibles par le détecteur, et qui devaient accompagner les neutrinos bien plus énergétiques -- techniquement, une source astrophysique ponctuelle doit produire un spectrespectre avec des neutrinos à plusieurs énergies décrit par une loi en puissance de cette énergie. Or, ce n'est justement pas le cas en ré-analysant les données collectées. On ne trouve pas de sources ponctuelles associées aux événements d'Anita dans ces données. Une autre particule probablement très pénétrante causant, elle aussi, indirectement des impulsions radio doit être responsable de ces événements, une particule qui cadrerait bien justement avec une particule de matière noire, sans charge électrique comme les neutrinos, et provenant d'une nouvelle physique.

Mais restons prudents, des erreurs de mesures ne sont pas à exclure même si les chercheurs ont bien évidemment vérifié tout ce qu'ils pouvaient. On se souvient de l'exemple des neutrinos transluminiques...