L'idée était si farfelue qu'elle ressemblait à de la science-fiction :créer un observatoire à partir d'un bloc de glace d'un kilomètre cube en Antarctique pour suivre les particules fantomatiques appelées neutrinos qui traversent la Terre. Mais en parlant à Benedickt Riedel, responsable informatique global à l'Observatoire IceCube Neutrino, c'est parfaitement logique.

"Construire un observatoire comparable ailleurs serait astronomiquement coûteux, " expliqua Riedel. " La glace de l'Antarctique est un excellent matériau optique et nous permet de détecter les neutrinos comme nulle part ailleurs. "

Les neutrinos sont des particules subatomiques neutres avec une masse proche de zéro qui peuvent traverser des matériaux solides à une vitesse proche de la lumière, réagissant rarement avec la matière normale. Ils ont été détectés pour la première fois dans les années 1950 dans des expériences qui ont fonctionné à proximité de réacteurs nucléaires, qui génèrent également ces particules. Ils se sont en outre avérés être créés par les rayons cosmiques interagissant avec notre atmosphère. Mais les astrophysiciens pensaient qu'ils étaient probablement répandus et causés par une variété d'événements cosmiques, si seulement ils pouvaient être détectés.

Surtout, les scientifiques pensaient qu'ils pourraient être des indices critiques pour d'autres phénomènes. « 20 % de l'Univers potentiellement visible est sombre pour nous, " expliqua Riedel. "C'est principalement à cause des distances et de l'âge de l'Univers. La lumière à haute énergie est également cachée. Il est absorbé ou subit une transformation qui rend difficile la traçabilité d'une source. IceCube révèle une tranche d'Univers que nous n'avons pas encore observée."

Un nouvel outil important dans la boîte à outils d'astronomie multi-messagers

L'astronomie multi-messagers décrit une approche qui combine des observations de la lumière, ondes gravitationnelles, et des particules pour comprendre certains des événements les plus extrêmes de l'Univers. Les neutrinos jouent un rôle important dans ce type de recherche.

Avant 1987, avec l'explosion de Supernova 1987a, toutes les observations astronomiques extra-solaires étaient basées sur des photons. Aujourd'hui, des systèmes de détection supplémentaires ajoutent à notre vision du cosmos, y compris tous les relevés du ciel et les détecteurs d'ondes gravitationnelles. Cependant, la plupart des observatoires ne peuvent regarder qu'une petite partie du ciel. Glaçon, en raison de la nature des neutrinos, peut observer les vols de ces particules de n'importe quelle direction, et donc agir comme une sentinelle plein ciel.

Le bloc de glace de la station Amundsen-Scott au pôle Sud en Antarctique - jusqu'à cent mille ans et extrêmement clair - est instrumenté avec des capteurs entre 1, 450 et 2, 450 mètres sous la surface. Lorsque les neutrinos traversent la glace, ils peuvent interagir avec un proton ou un neutron, produisant des photons qui voyagent ensuite à travers la glace, et peut être détecté par un capteur. Les capteurs transforment ces signaux issus des interactions de neutrinos - une poignée d'une heure - en données numériques qui sont ensuite analysées pour déterminer s'ils représentent une source locale (atmosphère terrestre) ou distante.

« Sur la base de l'analyse, les chercheurs sont également en mesure de déterminer d'où provient la particule dans le ciel, son énergie, et parfois, quel type de neutrino—électron, muon ou tau—c'était, " a déclaré James Madson, directeur exécutif du Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

En 2017, IceCube a détecté un neutrino d'une énergie de 290 téraélectronvolts (TeV) et a envoyé une alerte. La détection a déclenché une vaste campagne impliquant plus de vingt télescopes spatiaux et au sol. Ils ont identifié un blazar à 3,5 milliards d'années-lumière, identifier pour la première fois une source de rayons cosmiques à haute énergie et lancer une nouvelle ère dans la détection multi-messagers, selon Riedl.

« Nous recherchons en permanence dans notre ensemble de données en temps quasi réel des événements neutrinos intéressants, " a-t-il expliqué. " Nous en avons trouvé un et avons envoyé une alerte par e-mail à la communauté. Ils ont poursuivi avec toutes ces autres observations électromagnétiques, localiser une source connue de rayons gamma. Ils ont également trouvé, pendant un mois, une activité accrue de la source."

IceCube découvre la preuve d'un antineutrino électronique à haute énergie

Le 10 mars, 2021, IceCube a annoncé la détection d'un événement de résonance Glashow, un phénomène prédit par le lauréat du prix Nobel de physique Sheldon Glashow en 1960. La résonance Glashow décrit la formation d'un W? boson - une particule élémentaire qui médie la force faible - lors de l'interaction d'un antineutrino électronique de haute énergie avec un électron, culminant à une énergie antineutrino de 6,3 pétaélectronvolts (PeV). Son existence est une prédiction clé du modèle standard de la physique des particules. Les résultats ont en outre démontré la capacité d'IceCube à faire de la physique fondamentale. Le résultat a été publié le 10 mars dans La nature .

Bien que cette échelle énergétique soit hors de portée pour les accélérateurs de particules actuels et futurs, les phénomènes astrophysiques naturels devraient produire des antineutrinos qui dépassent les énergies PeV. L'actualité de la découverte de la résonance Glashow, "suggère la présence d'antineutrinos électroniques dans le flux astrophysique, tout en fournissant également une validation supplémentaire du modèle standard de la physique des particules, " les auteurs ont écrit. " Sa signature unique indique une méthode de distinction des neutrinos des antineutrinos, offrant ainsi un moyen d'identifier les accélérateurs astronomiques qui produisent des neutrinos via des interactions hadronucléaires ou photohadroniques, avec ou sans champs magnétiques puissants."

Les détections de neutrinos nécessitent des ressources informatiques importantes pour modéliser le comportement du détecteur et différencier les signaux extra-solaires des événements de fond créés par les interactions des rayons cosmiques dans l'atmosphère. Riedel est le coordinateur d'une grande communauté de chercheurs - jusqu'à 300 selon ses estimations - qui utilisent le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), une ressource financée par la National Science Foundation (NSF) pour la communauté nationale.

IceCube a reçu du temps sur Frontera dans le cadre de la piste de partenariat communautaire à grande échelle, qui prévoit des allocations prolongées pouvant aller jusqu'à trois ans pour soutenir des expériences scientifiques de longue durée. IceCube, qui a collecté des données pendant 14 ans et a récemment reçu une subvention de la NSF pour étendre ses opérations au cours des prochaines années, est un excellent exemple d'une telle expérience.

"Une partie des ressources de Frontera a contribué à cette découverte, " a déclaré Riedl. " Il y a des années de simulations de Monte Carlo qui ont permis de comprendre que nous pouvions le faire. "

IceCube utilise des ressources informatiques provenant de plusieurs sources, y compris l'Open Science Grid, l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), leur propre cluster de calcul intensif local, et récemment le cloud Amazon Web Services. Frontera est le plus grand système utilisé, cependant, et peut gérer une grande partie des besoins informatiques de la communauté des neutrinos, réserver des ressources locales ou cloud pour les analyses urgentes, dit Riedel.

"Une grande partie de l'informatique sur Frontera n'est peut-être pas directement associée aux découvertes, mais ça aide sur la route, pour mieux discerner les signaux et développer de nouveaux algorithmes, " il a dit.

Modélisation de la glace et suivi des signaux prometteurs

Les projets pour lesquels les scientifiques d'IceCube utilisent Frontera varient, mais ils impliquent généralement soit des calculs pour mieux comprendre la nature optique de la glace en général (afin que la trajectoire et d'autres caractéristiques des détections de neutrinos puissent être déterminées avec précision); ou des calculs pour analyser des événements spécifiques jugés significatifs.

Le premier type de calcul utilise principalement le lancer de rayons pour calculer le trajet de la lumière dans la glace à partir de particules chargées électriquement à haute énergie produites lorsque les neutrinos interagissent. Les rayons peuvent se disperser ou être adsorbés par des défauts de la glace, compliquer l'analyse. Utilisation d'unités de traitement graphique (GPU), Riedel a trouvé, peut accélérer les simulations pour étudier la lumière la propagation de la lumière dans la glace par des centaines de fois. L'équipe IceCube fait partie des plus grands utilisateurs du sous-système GPU Frontera qui comprend les GPU NVIDIA RTX.

Le deuxième type de calcul se produit lorsque les scientifiques reçoivent une alerte indiquant qu'ils ont reçu un signal intéressant. "Nous lançons un calcul pour analyser l'événement qui peut atteindre un million de processeurs, " dit Riedl. " Nous ne les avons pas, Frontera peut donc nous donner une partie de cette puissance de calcul pour exécuter un algorithme de reconstruction ou d'extraction. Nous avons ce type d'événements environ une fois par mois."

"Les simulations à grande échelle de l'installation IceCube et les données qu'elle génère nous permettent de déterminer rapidement et précisément les propriétés de ces neutrinos, qui à son tour expose la physique des événements les plus énergétiques de l'univers, " a déclaré Niall Gaffney, TACC Directeur de l'informatique intensive de données. "C'est la clé pour valider la physique quantique fondamentale dans des environnements qui ne peuvent pas être pratiquement reproduits sur terre."

Les astronomes d'aujourd'hui peuvent observer l'univers de différentes manières, et l'informatique est désormais au cœur de la quasi-totalité d'entre eux. "Nous sommes passés de la vision traditionnelle d'un gars avec un télescope regardant le ciel, aux instruments à grande échelle, à maintenant la physique des particules et les observatoires de particules, " dit Riedl. " Avec ce nouveau paradigme, nous avons besoin de grandes quantités de calcul pendant de courtes périodes de temps pour faire de gros calculs sensibles au temps, et les grands centres de calcul scientifique comme TACC nous aident à faire notre science. »