L'installation de surface pour l'expérience IceCube, qui est située sous près de 1,6 km de glace en Antarctique. IceCube suggère que les neutrinos fantomatiques n'existent pas, mais une nouvelle expérience dit qu'ils existent.
(Image: © Gracieuseté de IceCube Neutrino Observatory)
Dans la friche glacée de l'Antarctique se trouve un détecteur de particules massif, l'Observatoire des neutrinos IceCube. Mais la recherche de l'instrument à la surface sera difficile, car la majeure partie de l'observatoire est piégée sous la glace. L'observatoire international cherche des neutrinos, des particules sans masse et sans charge qui n'interagissent presque jamais avec la matière. Maintenant, ses observations peuvent résoudre l'un des plus grands mystères de l'astronomie, répondant aux questions derrière l'origine des neutrinos et des rayons cosmiques.
Le plus grand de tous
L'Observatoire IceCube Neutrino couvre un kilomètre cube près du pôle Sud. L'instrument couvre un kilomètre carré de la surface et s'étend jusqu'à 4 920 pieds (1 500 mètres) de profondeur. Il s'agit du premier détecteur de neutrinos gigaton jamais construit.
Alors que les photographies d'IceCube montrent souvent un bâtiment assis sur la surface enneigée, le vrai travail se fait ci-dessous. L'expérience polyvalente comprend un réseau de surface, IceTop, un réseau de 81 stations qui se trouvent au-dessus des chaînes. IceTop sert de détecteur d'étalonnage pour IceCube, ainsi que de détection des douches d'air des rayons cosmiques primaires, ainsi que de leur flux et de leur composition.
Le sous-détecteur intérieur dense, DeepCore, est le moteur de l'expérience IceCube. Chacune des stations IceTop est composée de chaînes attachées à des modules optiques numériques (DOM) qui sont déployés sur une grille hexagonale espacée de 410 pieds (125 mètres). Chaque chaîne contient 60 DOM de la taille d'un ballon de basket. Ici, au plus profond de la glace, IceCube est capable de chasser les neutrinos qui viennent du soleil, de l'intérieur de la voie lactée et de l'extérieur de la galaxie. Ces particules fantomatiques sont connectées aux rayons cosmiques, les particules les plus énergétiques jamais observées.
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Particules mystérieuses
Les rayons cosmiques ont été découverts pour la première fois en 1912. Les puissants sursauts de rayonnement entrent en collision constante avec la Terre, se diffusant de toutes les parties de la galaxie. Les scientifiques ont calculé que les particules chargées devaient se former dans certains des objets et événements les plus violents et les moins bien compris de l'univers. La mort explosive stellaire d'une étoile, une supernova, fournit une méthode pour créer des rayons cosmiques; les trous noirs actifs au centre des galaxies un autre.
Cependant, comme les rayons cosmiques sont constitués de particules chargées, ils interagissent avec les champs magnétiques des étoiles et d'autres objets qui les traversent. Les champs se déforment et modifient le trajet des rayons cosmiques, ce qui empêche les scientifiques de remonter jusqu'à leur source.
C'est là que les neutrinos entrent en jeu. Comme les rayons cosmiques, les particules de faible masse se formeraient par la violence. Mais parce que les neutrinos n'ont pas de charge, ils passent par des champs magnétiques sans changer de chemin, se déplaçant en ligne droite depuis leur source.
"Pour cette raison, la recherche des sources de rayons cosmiques est également devenue la recherche de neutrinos de très haute énergie", selon le site Internet d'IceCube.
Cependant, les mêmes caractéristiques qui font des neutrinos de si bons messagers signifient également qu'ils sont difficiles à détecter. Chaque seconde, environ 100 milliards de neutrinos traversent un pouce carré de votre corps. La plupart d'entre eux proviennent du soleil et ne sont pas suffisamment énergétiques pour être identifiés par IceCube, mais certains sont susceptibles d'avoir été produits en dehors de la Voie lactée.
La détection des neutrinos nécessite l'utilisation de matériaux très clairs tels que l'eau ou la glace. Lorsqu'un seul neutrino s'écrase sur un proton ou un neutron à l'intérieur d'un atome, la réaction nucléaire qui en résulte produit des particules secondaires qui émettent une lumière bleue appelée rayonnement Cherenkov.
"Les neutrinos que nous détectons sont comme des empreintes digitales qui nous aident à comprendre les objets et les phénomènes où les neutrinos sont produits", selon l'équipe IceCube.
Des conditions difficiles
Le pôle Sud n'est peut-être pas l'espace, mais il apporte ses propres défis. Les ingénieurs ont commencé la construction sur IceCube en 2004, un projet de sept ans qui a été achevé comme prévu en 2010. La construction ne pouvait avoir lieu que pendant quelques mois chaque année, au cours de l'été de l'hémisphère sud, qui a lieu de novembre à février.
Le forage de 86 trous nécessitait un type de foret spécial - deux d'entre eux, en fait. Le premier a avancé à travers le sapin, une couche de neige compactée, jusqu'à environ 50 mètres. Ensuite, une perceuse à eau chaude à haute pression a fondu à travers la glace à des vitesses d'environ 2 mètres (6,5 pieds) par minute, jusqu'à une profondeur de 2 450 mètres (8 038 pieds ou 1,5 mille).
«Ensemble, les deux forets ont été en mesure de produire de manière cohérente des trous verticaux presque parfaits prêts pour le déploiement de l'instrumentation à raison d'un trou tous les deux jours», selon IceCube.
Les cordes ont ensuite dû être rapidement déployées dans l'eau fondue avant que la glace ne recongèle. Le gel a mis quelques semaines à se stabiliser, après quoi les instruments sont restés intouchables, gelés en permanence dans la glace et ne pouvant être réparés. Le taux de défaillance des instruments a été extrêmement lent, avec moins de 100 des 5 500 capteurs actuellement non opérationnels.
IceCube a commencé à faire des observations dès le début, même pendant le déploiement d'autres chaînes.
Au début du projet, les chercheurs ne savaient pas jusqu'où la lumière se déplacerait à travers la glace, selon Halzen. Avec ces informations bien établies, la collaboration se poursuit vers IceCube-Gen2. L'observatoire amélioré ajouterait environ 80 chaînes de détecteurs supplémentaires, tandis que la compréhension des propriétés de la glace permettra aux chercheurs de séparer les capteurs plus que leurs estimations conservatrices d'origine. IceCube-Gen2 devrait doubler la taille de l'observatoire pour à peu près le même coût.
Une science incroyable
IceCube a commencé à chasser les neutrinos avant qu'il ne soit terminé, produisant plusieurs résultats scientifiques intrigants en cours de route.
Entre mai 2010 et mai 2012, IceCube a observé 28 particules de très haute énergie. Halzen a attribué la capacité du détecteur à observer ces événements extrêmes à l'achèvement du détecteur.
"C'est la première indication de neutrinos de très haute énergie provenant de l'extérieur de notre système solaire, avec des énergies plus d'un million de fois celles observées en 1987 en rapport avec une supernova vue dans le Grand Nuage de Magellan", a déclaré Halzen dans un communiqué. "Il est gratifiant de voir enfin ce que nous cherchions. C'est l'aube d'une nouvelle ère de l'astronomie."
En avril 2012, une paire de neutrinos à haute énergie a été détectée et surnommée Bert et Ernie, d'après les personnages de l'émission de télévision pour enfants "Sesame Street". Avec des énergies supérieures à 1 pétaélectronvolt (PeV), la paire a été les premiers neutrinos définitivement détectés de l'extérieur du système solaire depuis la supernova de 1987.
"Il s'agit d'une percée majeure", a déclaré Uli Katz, physicien des particules à l'Université d'Erlangen-Nuremberg, en Allemagne, qui n'était pas impliqué dans la recherche. "Je pense que c'est l'une des découvertes majeures absolues en physique des astro-particules", a déclaré Katz à Space.com.
Ces observations ont permis à IceCube d'obtenir le prix Percée de l'année Physics World 2013.
Un autre gain important est survenu le 4 décembre 2012, lorsque l'observatoire a détecté un événement que les scientifiques ont appelé Big Bird, également de «Sesame Street». Big Bird était un neutrino d'une énergie supérieure à 2 quadrillions d'électrons volts, plus d'un million de millions de fois supérieur à l'énergie d'une radiographie dentaire, emballé dans une seule particule avec moins d'un millionième de masse d'électron. À l'époque, c'était le neutrino à la plus haute énergie jamais détecté; en 2018, il se classe toujours au deuxième rang.
Avec l'aide du télescope spatial Fermi à rayons gamma de la NASA, les scientifiques ont lié Big Bird à l'explosion hautement énergétique d'un blazar connu sous le nom de PKS B1424-418. Les blazars sont alimentés par des trous noirs supermassifs au centre d'une galaxie. Alors que le trou noir engloutit le matériau, une partie du matériau est déviée vers des jets transportant tellement d'énergie qu'ils éclipsent les étoiles de la galaxie. Les jets accélèrent la matière, créant des neutrinos et des fragments d'atomes qui créent des rayons cosmiques.
À partir de l'été 2012, le blazar a brillé entre 15 et 30 fois plus lumineux en rayons gamma que sa moyenne avant l'éruption. Un programme d'observation à long terme nommé TANAMI, qui surveillait régulièrement près de 100 galaxies actives dans le ciel austral, a révélé que le cœur du jet de la galaxie s'était éclairci quatre fois entre 2011 et 2013.
"Aucune autre de nos galaxies observées par TANAMI pendant la durée du programme n'a présenté un changement aussi spectaculaire", a déclaré Eduardo Ros, du Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) en Allemagne, dans un communiqué publié en 2016. L'équipe a calculé que les deux événements étaient liés.
"Compte tenu de toutes les observations, le blazar semble avoir eu les moyens, la motivation et la possibilité de tirer le neutrino du Big Bird, ce qui en fait notre principal suspect", a déclaré Matthias Kadler, professeur d'astrophysique à l'Université de Würzburg à Allemagne."
En juillet 2018, IceCube a annoncé que, pour la première fois, il avait retracé les neutrinos jusqu'à leur source de blazar. En septembre 2017, grâce à un système d'alerte nouvellement installé qui a été diffusé aux scientifiques du monde entier quelques minutes après avoir détecté un puissant candidat neutrino, les chercheurs ont pu tourner rapidement leurs télescopes dans la direction d'où provenait le nouveau signal. Fermi a alerté les chercheurs de la présence d'un blazar actif, connu sous le nom de TXS-0506 + 056, dans la même partie du ciel. De nouvelles observations ont confirmé que le blazar était torché, émettant des éclats d'énergie plus brillants que d'habitude.
Pour la plupart, TXS est un blazar typique; c'est l'un des 100 blazars les plus brillants détectés par Fermi. Cependant, alors que les 99 autres sont également brillants, ils n'ont pas lancé de neutrinos vers IceCube. Au cours des derniers mois, le TXS a été torché, éclairci et atténué jusqu'à cent fois plus fort que les années précédentes.
"Le suivi de ce neutrino à haute énergie détecté par IceCube jusqu'à TXS 0506 + 056 en fait la première fois que nous sommes en mesure d'identifier un objet spécifique comme la source probable d'un tel neutrino à haute énergie", Gregory Sivakoff, de l'Université de l'Alberta au Canada, a déclaré dans un communiqué.
IceCube n'est pas encore terminé. Le nouveau système d'alerte gardera les astronomes sur leurs gardes dans les années à venir. L'observatoire a une durée de vie prévue de 20 ans, il y a donc au moins une autre décennie de découvertes incroyables provenant de l'observatoire du pôle Sud.
