Les résultats de l'étude sont basés sur une année de données d'environ 10, 800 interactions liées aux neutrinos, provenant d'un apport naturel de neutrinos très énergétiques de l'espace qui traversent un absorbeur épais et dense :la Terre. L'énergie des neutrinos était essentielle à l'étude, car les neutrinos de plus haute énergie sont plus susceptibles d'interagir avec la matière et d'être absorbés par la Terre.

Les scientifiques ont découvert qu'il y avait moins de neutrinos énergétiques qui traversaient la Terre jusqu'au détecteur IceCube qu'à partir de chemins moins obstrués, tels que ceux arrivant à des trajectoires presque horizontales. La probabilité que les neutrinos soient absorbés par la Terre était conforme aux attentes du modèle standard de la physique des particules, que les scientifiques utilisent pour expliquer les forces fondamentales et les particules de l'univers. Cette probabilité – que les neutrinos d'une énergie donnée interagissent avec la matière – est ce que les physiciens appellent une « section efficace ».

"Comprendre comment les neutrinos interagissent est la clé du fonctionnement d'IceCube, " a expliqué Francis Halzen, chercheur principal pour l'Observatoire IceCube Neutrino et professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison. Mesures de précision à l'accélérateur HERA à Hambourg, Allemagne, nous permettent de calculer la section efficace des neutrinos avec une grande précision dans le modèle standard, ce qui s'appliquerait aux neutrinos IceCube d'énergies beaucoup plus élevées si le modèle standard est valide à ces énergies. "Nous espérions bien sûr l'apparition d'une nouvelle physique, mais nous constatons malheureusement que le modèle standard, comme d'habitude, résiste à l'épreuve, " ajoute Halzen.

James Whitmore, directeur de programme à la division physique de la National Science Foundation, mentionné, "IceCube a été conçu pour explorer à la fois les frontières de la physique et, ce faisant, peut-être remettre en cause les perceptions existantes de la nature de l'univers. Cette nouvelle découverte et d'autres à venir sont dans cet esprit de découverte scientifique."

Cette étude fournit les premières mesures de section efficace pour une gamme d'énergie des neutrinos allant jusqu'à 1, 000 fois plus élevé que les mesures précédentes dans les accélérateurs de particules. La plupart des neutrinos sélectionnés pour cette étude étaient plus d'un million de fois plus énergétiques que les neutrinos produits par des sources plus familières, comme le soleil ou les centrales nucléaires. Les chercheurs ont pris soin de s'assurer que les mesures n'étaient pas faussées par des problèmes de détecteur ou d'autres incertitudes.

"Les neutrinos ont la réputation bien méritée de nous surprendre par leur comportement, " a déclaré Darren Grant, porte-parole de la collaboration IceCube et professeur de physique à l'Université de l'Alberta au Canada. "C'est incroyablement excitant de voir cette première mesure et le potentiel qu'elle recèle pour les futurs tests de précision."

En plus de fournir la première mesure de l'absorption terrestre des neutrinos, l'analyse montre que la portée scientifique d'IceCube s'étend au-delà de son objectif principal sur les découvertes en physique des particules et le domaine émergent de l'astronomie des neutrinos dans les domaines de la science planétaire et de la physique nucléaire. Cette analyse intéressera également les géophysiciens qui souhaiteraient utiliser les neutrinos pour imager l'intérieur de la Terre, bien que cela nécessitera plus de données que celles utilisées dans la présente étude.

Pour cette étude, la Collaboration IceCube, qui comprend plus de 300 membres de 48 institutions dans 12 pays, élargi son partenariat de recherche pour inclure des géologues dans une équipe multidisciplinaire encore plus grande.

Une compréhension plus approfondie de la fréquence à laquelle un neutrino traversera la Terre pour éventuellement interagir avec le détecteur IceCube nécessite également une connaissance détaillée des propriétés de la glace antarctique, l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre, et comment les neutrinos interagissent avec la matière.

Les neutrinos utilisés dans cette analyse ont été principalement produits lorsque de l'hydrogène ou des noyaux plus lourds provenant de rayons cosmiques de haute énergie, créé en dehors du système solaire, interagit avec les noyaux d'azote ou d'oxygène de l'atmosphère terrestre. Cela crée une cascade de particules, y compris plusieurs types de particules subatomiques qui se désintègrent, produisant des neutrinos. Ces particules pleuvent sur la surface de la Terre de toutes les directions.

L'analyse a également inclus un petit nombre de neutrinos astrophysiques, qui sont produits en dehors de l'atmosphère terrestre, d'accélérateurs cosmiques non identifiés à ce jour, peut-être associé à des trous noirs supermassifs.

Les événements d'interaction neutrino sélectionnés pour l'étude ont des énergies d'au moins un billion d'électrons-volts, ou un téraélectronvolt (TeV), à peu près l'énergie cinétique d'un moustique volant. A cette énergie, l'absorption des neutrinos par la Terre est relativement faible, et les neutrinos les plus énergétiques de l'étude ont largement servi de référence sans absorption. L'analyse était sensible à l'absorption dans la gamme d'énergie de 6,3 TeV à 980 TeV, limitée à l'extrémité haute énergie par une pénurie de neutrinos suffisamment énergétiques.

A ces énergies, chaque proton ou neutron individuel dans un noyau agit indépendamment, l'absorption dépend donc du nombre de protons ou de neutrons que chaque neutrino rencontre. Le noyau terrestre est particulièrement dense, l'absorption y est donc la plus importante. Par comparaison, les neutrinos les plus énergétiques qui ont été étudiés dans les accélérateurs de particules construits par l'homme étaient à des énergies inférieures à 0,4 TeV. Les chercheurs ont utilisé ces accélérateurs pour diriger des faisceaux contenant un nombre énorme de ces neutrinos de basse énergie vers des détecteurs massifs, mais seule une très petite fraction donne des interactions.

Les chercheurs d'IceCube ont utilisé des données collectées de mai 2010 à mai 2011, à partir d'un tableau partiel de 79 "chaînes, " contenant chacun 60 capteurs intégrés à plus d'un mile de profondeur dans la glace.

Gary Liant, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley affilié à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, a développé le logiciel qui a été utilisé pour adapter les données d'IceCube à un modèle décrivant comment les neutrinos se propagent à travers la Terre.

De là, le logiciel a déterminé la section transversale qui correspondait le mieux aux données. L'étudiant de l'Université du Wisconsin à Madison, Chris Weaver, a développé le code pour sélectionner les événements de détection utilisés par Miarecki.

Des simulations pour étayer l'analyse ont été menées à l'aide de superordinateurs à l'Université du Wisconsin-Madison et au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC).

Les physiciens espèrent maintenant répéter l'étude en utilisant un analyse pluriannuelle des données de la matrice IceCube complète de 86 chaînes, qui s'est achevé en décembre 2010, et d'examiner des gammes plus élevées d'énergies de neutrinos pour tout indice de nouvelle physique au-delà du modèle standard. IceCube a déjà détecté plusieurs neutrinos à ultra haute énergie, dans la gamme des pétaélectronvolts (PeV), qui ont un 1, Énergie 000 fois supérieure à celles détectées dans la gamme TeV.

Klein a dit, « Une fois que nous pourrons réduire les incertitudes et envisager des énergies légèrement plus élevées, nous pouvons examiner des choses comme les effets nucléaires sur la Terre, et les effets électromagnétiques collectifs.

Classeur ajouté, "Nous pouvons également étudier la quantité d'énergie qu'un neutrino transfère à un noyau lorsqu'il interagit, nous donnant une autre sonde de la structure nucléaire et de la physique au-delà du modèle standard."

Plus de données réduiront à la fois les incertitudes et fourniront des neutrinos à des énergies encore plus élevées, ouvrant de nouvelles opportunités pour sonder la physique des neutrinos au-delà du modèle standard. Il permettra également aux scientifiques d'explorer la frontière entre le noyau solide interne de la Terre et son noyau externe liquide.

Un objectif à plus long terme est de construire un détecteur plus grand, ce qui permettrait aux scientifiques d'étudier les neutrinos d'énergies encore plus élevées. L'IceCube-Gen2 proposé serait 10 fois plus grand que l'IceCube. Sa plus grande taille permettrait au détecteur de collecter davantage de données sur les neutrinos à très haute énergie.

Certains scientifiques cherchent à construire un détecteur encore plus grand, 100 kilomètres cubes ou plus, en utilisant une nouvelle approche qui recherche les impulsions d'ondes radio produites lorsque des neutrinos de très haute énergie interagissent dans la glace. Les mesures de l'absorption des neutrinos par un détecteur radio pourraient être utilisées pour rechercher de nouveaux phénomènes qui vont bien au-delà de la physique prise en compte dans le modèle standard et pourraient examiner la structure des noyaux atomiques plus en détail que celles d'autres expériences.

Miarecki a dit, "C'est assez excitant - je n'aurais pas pu penser à un projet plus intéressant."