L'Observatoire de neutrinos IceCube, un télescope à neutrinos de la taille d'un kilomètre cube situé au pôle Sud, a observé un nouveau type de messager astrophysique. Dans une nouvelle étude récemment acceptée pour publication en tant que suggestion de la rédaction par la revue Physical Review Letters et disponible sur arXiv serveur de prépublication, la collaboration IceCube, comprenant des chercheurs de Penn State, a présenté la découverte de sept des neutrinos tau astrophysiques autrefois insaisissables.
Les neutrinos sont de minuscules particules subatomiques à faible interaction qui peuvent parcourir des distances astronomiques sans être dérangées. En tant que tels, ils peuvent remonter à leurs sources, révélant les mystères de leurs origines cosmiques. Les neutrinos de haute énergie provenant des régions les plus éloignées de notre galaxie sont appelés neutrinos astrophysiques. Ces messagers cosmiques se déclinent en trois types différents :électron, muon et tau, les neutrinos tau astrophysiques étant exceptionnellement difficiles à cerner.
"En 2013, IceCube a présenté sa première preuve de neutrinos astrophysiques de haute énergie provenant d'accélérateurs cosmiques, ouvrant ainsi une nouvelle ère en astronomie", a déclaré Doug Cowen, professeur de physique et d'astronomie et d'astrophysique à l'Eberly College of Science de Penn State et l’un des responsables de l’étude. "Cette nouvelle découverte passionnante s'accompagne de la possibilité intrigante d'exploiter les neutrinos tau pour découvrir une nouvelle physique."
IceCube détecte les neutrinos à l'aide de chaînes de modules optiques numériques (DOM), avec un total de 5 160 DOM intégrés profondément dans la glace de l'Antarctique. Lorsque les neutrinos interagissent avec les noyaux de la glace, des particules chargées sont produites et émettent de la lumière bleue (qui est enregistrée et numérisée par les DOM individuels) lorsqu'elles voyagent à travers la glace. La lumière produit des motifs distinctifs. L'un de ces modèles, appelé événements à double cascade, indique des interactions de neutrinos tau de haute énergie au sein du détecteur.
Des analyses antérieures d'IceCube ont révélé des indices de ces signatures subtiles produites par les neutrinos astrophysiques du tau. Les chercheurs sont donc restés motivés pour identifier ces particules insaisissables. Les chercheurs ont transformé les données de chaque événement potentiel de neutrino tau en images, puis ont formé des réseaux de neurones convolutifs (CNN), un type d'algorithme d'apprentissage automatique optimisé pour la classification d'images, sur les images.
Cela a permis aux chercheurs de distinguer les images produites par les neutrinos tau des images produites par divers arrière-plans. Après avoir exécuté des simulations qui ont confirmé sa sensibilité aux neutrinos tau, la technique a ensuite été appliquée à 10 années de données IceCube acquises entre 2011 et 2020. Le résultat a été sept événements de neutrinos tau candidats forts.
"La détection de sept événements candidats de neutrinos tau dans les données, combinée à la très faible quantité de bruit de fond attendu, nous permet d'affirmer qu'il est très improbable que les bruits de fond conspirent pour produire sept imposteurs de neutrinos tau", a déclaré Cowen. "Étant donné que les neutrinos tau aux énergies observées ne peuvent être produits que par des sources astrophysiques, leur détection fournit également une forte confirmation de la découverte antérieure par IceCube du flux de neutrinos astrophysiques."
Cowen a ajouté que la probabilité que l'arrière-plan imite le signal soit estimée à moins de 1 sur 3,5 millions, ce qui correspond à une signification supérieure à cinq sigma, considérée comme l'étalon-or statistique pour les nouvelles découvertes en physique.
Les analyses futures intégreront davantage de chaînes d'IceCube, puisque cette étude n'a utilisé que les trois chaînes les plus éclairées. Une telle nouvelle analyse augmenterait l’échantillon de neutrinos tau qui pourrait ensuite être utilisé pour réaliser la première étude à trois saveurs du phénomène dans lequel les neutrinos changent de saveur – appelés oscillations des neutrinos – sur des distances cosmologiques. Ce type d'étude pourrait aborder des questions telles que le mécanisme de production de neutrinos à partir de sources astrophysiques et les propriétés de l'espace lui-même à travers lequel voyagent les neutrinos, ont indiqué les chercheurs.
Actuellement, il n’existe aucun outil spécifiquement conçu pour déterminer l’énergie et la direction des neutrinos tau qui produisent les signatures observées dans cette analyse. Un tel algorithme pourrait être utilisé en temps réel pour mieux différencier un signal potentiel de neutrinos tau du bruit de fond et pour aider à identifier les neutrinos tau candidats au pôle Sud. Semblables aux alertes en temps réel actuelles d'IceCube émises pour d'autres types de neutrinos, des alertes pour les neutrinos tau pourraient être émises à la communauté astronomique pour des études de suivi.
Environ 300 physiciens issus de 59 institutions dans 14 pays composent la collaboration IceCube. Outre Cowen, les auteurs de l'étude à Penn State comprennent Derek Fox, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique; les chercheurs postdoctoraux Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton et Jan Weldert ; et l'étudiante diplômée Daria V. Pankova.
Plus d'informations : Observation de sept candidats astrophysiques aux neutrinos Tau avec IceCube, arXiv (2024). DOI :10.48550/arXiv.2403.02516
Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie
