À la station Amundsen – Scott South Pole en Antarctique se trouve l'Observatoire des neutrinos IceCube - une installation dédiée à l'étude des particules élémentaires appelées neutrinos. Ce réseau se compose de 5 160 capteurs optiques sphériques - modules optiques numériques (DOM) - enfouis dans un kilomètre cube de glace claire. À l'heure actuelle, cet observatoire est le plus grand détecteur de neutrinos au monde et a passé les sept dernières années à étudier le comportement et l'interaction de ces particules.
L’étude la plus récente publiée par la collaboration IceCube, avec l’aide de physiciens de la Pennsylvania State University, a mesuré la capacité de la Terre à bloquer les neutrinos pour la première fois. Conformément au modèle standard de physique des particules, ils ont déterminé que, bien que des milliards de neutrinos traversent la Terre (et nous) régulièrement, certains y sont parfois arrêtés.
L'étude, intitulée «Mesure de la section transversale d'interaction de neutrinos multi-TeV avec IceCube en utilisant l'absorption de la Terre», a récemment paru dans la revue scientifique La nature. Les résultats de l’équipe d’étude étaient fondés sur l’observation de 10 784 interactions réalisées par des neutrinos de haute énergie, se déplaçant vers le haut, qui ont été enregistrées au cours d’une année à l’observatoire.
En 2013, les premières détections de neutrinos de haute énergie ont été réalisées par la collaboration IceCube. Ces neutrinos - qui étaient censés être d'origine astrophysique - étaient de l'ordre du péta-électron-volt, ce qui en fait les neutrinos les plus énergétiques découverts à ce jour. IceCube recherche les signes de ces interactions en recherchant le rayonnement Cherenkov, qui est produit après que les particules chargées se déplaçant rapidement sont ralenties en interagissant avec la matière normale.
En détectant les neutrinos qui interagissent avec la glace claire, les instruments IceCube ont pu estimer l'énergie et la direction de déplacement des neutrinos. Malgré ces détections, cependant, le mystère restait de savoir si n'importe quel type de matière pouvait arrêter un neutrino pendant son voyage dans l'espace. Conformément au modèle standard de physique des particules, c'est quelque chose qui devrait se produire à l'occasion.
Après avoir observé les interactions à IceCube pendant un an, l'équipe scientifique a découvert que les neutrinos qui devaient se déplacer le plus loin à travers la Terre étaient moins susceptibles d'atteindre le détecteur. Comme Doug Cowen, professeur de physique et d'astronomie / astrophysique à Penn State, l'a expliqué dans un communiqué de presse de Penn State:
«Cette réalisation est importante car elle montre, pour la première fois, que les neutrinos de très haute énergie peuvent être absorbés par quelque chose - dans ce cas, la Terre. Nous savions que les neutrinos de faible 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 été en mesure de démontrer de manière convaincante que les neutrinos de plus haute énergie pouvaient être arrêtés par quoi que ce soit. »
L'existence de neutrinos a été proposée pour la première fois en 1930 par le physicien théoricien Wolfgang Pauli, qui a postulé leur existence comme un moyen d'expliquer la désintégration bêta en termes de conservation de la loi de l'énergie. Ils sont ainsi nommés parce qu'ils sont électriquement neutres et n'interagissent que très faiblement avec la matière, c'est-à-dire par la faible force subatomique et la gravité. Pour cette raison, les neutrinos traversent régulièrement la matière normale.
Alors que les neutrinos sont produits régulièrement par les étoiles et les réacteurs nucléaires ici sur Terre, les premiers neutrinos ont été formés lors du Big Bang. L'étude de leur interaction avec la matière normale peut donc nous en dire beaucoup sur l'évolution de l'Univers au cours de milliards d'années. De nombreux scientifiques prévoient que l'étude des neutrinos indiquera l'existence d'une nouvelle physique qui dépasse le modèle standard.
Pour cette raison, l'équipe scientifique a été quelque peu surprise (et peut-être déçue) de leurs résultats. Comme l'explique Francis Halzen - le chercheur principal de l'Observatoire des neutrinos IceCube et professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison -:
«Comprendre comment les neutrinos interagissent est la clé du fonctionnement d'IceCube. Nous espérions bien sûr que de nouveaux éléments physiques apparaissent, mais nous constatons malheureusement que le modèle standard, comme d'habitude, résiste au test.
Dans la plupart des cas, les neutrinos sélectionnés pour cette étude étaient plus d'un million de fois plus énergétiques que ceux produits par nos centrales solaires ou nucléaires. L'analyse en a également inclus certains qui étaient de nature astrophysique - c'est-à-dire produits au-delà de l'atmosphère terrestre - et qui pourraient avoir été accélérés vers la Terre par des trous noirs supermassifs (SMBH).
Darren Grant, professeur de physique à l'Université de l'Alberta, est également le porte-parole de la collaboration IceCube. Comme il l'a indiqué, cette dernière étude d'interaction ouvre la porte à de futures recherches sur les neutrinos. "Les neutrinos ont une réputation bien méritée de nous surprendre par leur comportement", a-t-il déclaré. «Il est incroyablement excitant de voir cette première mesure et le potentiel qu'elle recèle pour de futurs tests de précision.»
Cette étude a non seulement fourni la première mesure de l'absorption des neutrinos par la Terre, mais elle offre également des opportunités aux chercheurs en géophysique qui espèrent utiliser des neutrinos pour explorer l'intérieur de la Terre. Étant donné que la Terre est capable d'arrêter certains des milliards de particules de haute énergie qui la traversent régulièrement, les scientifiques pourraient développer une méthode pour étudier le noyau interne et externe de la Terre, en imposant des contraintes plus précises sur leurs tailles et densités.
Il montre également que l'Observatoire IceCube est capable d'aller au-delà de son objectif initial, qui était la recherche en physique des particules et l'étude des neutrinos. Comme le montre clairement cette dernière étude, elle peut également contribuer à la recherche en sciences planétaires et à la physique nucléaire. Les physiciens espèrent également utiliser l'intégralité du réseau IceCube à 86 cordes pour effectuer une analyse pluriannuelle, en examinant des plages encore plus élevées d'énergies neutrino.
Comme James Whitmore - le directeur de programme de la division de physique de la National Science Foundation (NSF) (qui fournit un support pour IceCube) - l'a indiqué, cela pourrait leur permettre de rechercher véritablement une physique qui va au-delà du modèle standard.
«IceCube a été construit à la fois pour explorer les frontières de la physique et, ce faisant, peut-être remettre en question les perceptions existantes de la nature de l'univers. Cette nouvelle découverte et d'autres à venir s'inscrivent dans cet esprit de découverte scientifique. »
Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens sont convaincus que le long voyage pour confirmer le modèle standard est maintenant terminé. Depuis lors, ils ont poussé leurs ensembles plus loin, dans l'espoir de trouver une nouvelle physique qui pourrait résoudre certains des mystères les plus profonds de l'Univers - à savoir la supersymétrie, une théorie de tout (ToE), etc.
Ceci, ainsi que l'étude du fonctionnement de la physique aux niveaux d'énergie les plus élevés (similaires à ceux qui existaient pendant le Big Bang) est la préoccupation actuelle des physiciens. S'ils réussissent, nous pourrions juste comprendre comment fonctionne cette chose massive connue sous le nom d'univers.
