Le 24 février, 1987, lumière d'une supernova qui a explosé 168, Il y a 000 ans dans le Grand Nuage de Magellan, voisin de la Voie Lactée, atteint la Terre. Les astronomes Ian Shelton et Oscar Duhalde de l'observatoire de Las Campanas au Chili ont signalé pour la première fois la supernova, appelé SN 1987A (ou simplement 87A), qui fut l'une des plus brillantes depuis près de quatre siècles.

Une supernova telle que 87A se produit lorsqu'une étoile plusieurs fois plus grande que notre soleil manque de carburant dans son noyau. À ce point, le noyau est en fer, et son destin repose sur la bataille entre deux forces :la gravité essaie de l'effondrer tandis que les électrons se repoussent efficacement, grâce au principe d'exclusion de Pauli, un effet de mécanique quantique. Pour un moment, l'équilibre est maintenu, mais la masse du noyau de fer ne cesse d'augmenter, à cause de la combustion nucléaire dans la coquille au-dessus. Finalement, la masse du noyau atteint une valeur critique appelée limite de Chandrasekhar, et l'attraction implacable de la gravité gagne. Le noyau s'effondre sur lui-même en quasi chute libre, et une onde de choc se forme autour d'elle. Chauffé par l'énergie des neutrinos qui s'échappent, l'onde de choc éjecte les couches externes de l'étoile dans une explosion catastrophique qui peut brièvement briller plus intensément que des galaxies entières. Après avoir perdu son énergie à cause de l'émission de neutrinos, le noyau s'installe enfin dans ce qu'on appelle une étoile à neutrons, effectivement un noyau géant composé principalement de neutrons.

Au moment où Duhalde et Shelton ont vu la lumière de 87A, trois détecteurs de neutrinos dans le monde avaient déjà détecté des preuves de la supernova. La majeure partie de l'énergie libérée dans une supernova est émise sous forme de neutrinos, particules subatomiques presque sans masse qui réagissent rarement avec la matière ordinaire. Parce qu'ils interagissent si faiblement, les neutrinos peuvent glisser hors de l'enveloppe d'une supernova qui s'effondre des heures avant les particules de lumière, qui chevauchent l'onde de choc de l'explosion, sont éjectés.

Les neutrinos produits par 87A sont arrivés sur Terre juste avant la lumière de l'explosion. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), un observatoire de neutrinos en Ohio sur les rives du lac Érié, détecté huit événements neutrinos. L'observatoire de neutrinos Baksan en Russie en a détecté cinq autres, et Kamiokande II, un détecteur de neutrinos en profondeur dans une mine japonaise, vu 11. C'était la première fois que des neutrinos d'une supernova étaient détectés - bien que les scientifiques ne s'en soient rendu compte qu'après que Duhalde et Shelton ont annoncé leur observation. Ils n'ont trouvé les événements de neutrinos dans leurs données que lorsqu'ils les ont recherchés en entendant les nouvelles de la supernova.

Quelque chose d'incroyable qui attend d'être connu ?

Plus de 30 ans plus tard, les scientifiques construisent l'expérience internationale Deep Underground Neutrino (DUNE), hébergé par Fermilab. Ses 70, Un détecteur d'argon liquide de 000 tonnes sera situé à près d'un mile sous terre à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud, en attendant l'arrivée d'une autre salve de neutrinos de supernova. La découverte laisserait présager une nouvelle étoile en train d'exploser quelque part dans la Voie lactée.

Kate Scholberg, un physicien des particules à l'Université Duke, dit que les neutrinos de supernova pourraient nous apprendre beaucoup sur les supernovae et la physique des particules si nous les détectons la prochaine fois qu'un événement comme 87A se produit. C'est parce que les neutrinos transportent avec eux des informations sur la supernova lorsqu'ils voyagent dans l'espace. Les signaux émis par les neutrinos dans les détecteurs de particules comme DUNE permettraient aux physiciens de tirer des conclusions sur les conditions dans lesquelles les neutrinos ont été produits et fourniraient des preuves du sort de l'étoile qui explose.

"Vous pouvez réellement voir les processus qui se déroulent en temps réel lorsque l'étoile à neutrons est en train de naître, " dit Scholberg, qui étudie les neutrinos dans le cadre de DUNE.

Ces processus pourraient indiquer une nouvelle physique. Par exemple, si des particules exotiques sont produites dans une supernova, des traces de leur existence seraient apparentes dans le signal émis par les neutrinos. C'est parce que les physiciens peuvent calculer l'énergie totale produite par une supernova, et ils peuvent estimer la quantité de neutrinos émise à partir de la mesure. Si l'énergie totale détectée ne correspond pas au total attendu, cela pourrait faire allusion à la production de nouvelles particules.

"La détection d'une supernova en 1987 à Kamiokande était, tome, l'une des détections les plus impressionnantes pour la physique des particules, " a déclaré Inés Gil Botella, scientifique au Centre espagnol de l'énergie, Environnement et technologie, ou CIEMAT, et l'un des chefs de file de la recherche de supernova de DUNE. "Cela a ouvert la voie à la compréhension de l'univers à travers des particules autres que les photons. Cette nouvelle ère multimessager de l'astrophysique a vraiment commencé avec la détection de neutrinos de supernova."

La dimension DUNE

Alors que les détecteurs n'ont capturé que 24 des neutrinos émis par 87A, des centaines d'articles évalués par des pairs ont été publiés à la suite de la découverte et des recherches ultérieures. Lorsque DUNE est terminé, il pourrait voir beaucoup plus de neutrinos et contribuer à une vague de recherches similaire – et entièrement nouvelle.

« DUNE a plusieurs capacités qui sont vraiment uniques parmi tous les grands détecteurs de neutrinos lorsqu'il s'agit d'étudier les neutrinos de supernova, " a déclaré Steven Gardiner, un scientifique du Fermilab qui travaille à simuler ce qui se passe lorsqu'un neutrino de supernova pénètre dans un détecteur.

DUNE est différent des détecteurs Cherenkov tels que Kamiokande de plusieurs manières, y compris qu'il utilise de l'argon liquide au lieu de l'eau comme milieu cible. Les détecteurs à argon liquide détectent les neutrinos lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux d'argon. Le noyau de l'argon est composé de protons et de neutrons qui sont disposés dans divers états d'énergie. Lorsqu'un neutrino entre en collision avec un noyau d'argon, un proton ou un neutron dans un état d'énergie plus faible peut être élevé à un état d'énergie plus élevé et conduire à l'émission de particules du noyau d'argon via sa désexcitation. Certaines de ces particules peuvent être observées par le détecteur.

"Quand le noyau se désexcite, quelques choses différentes peuvent arriver, " dit Gardiner. " Le noyau peut émettre des rayons gamma, neutrons, des protons ou des fragments nucléaires plus lourds. Vous pouvez potentiellement voir des rayons gamma dans l'argon liquide, car ils disperseront des électrons dans l'argon, et vous verrez de petits bouffées qui en découlent."

détecteurs Cherenkov, qui recherchent principalement des antineutrinos électroniques frappant des protons nus, ne peut pas reconstituer les rayons gamma avec autant de détails que les détecteurs à argon liquide.

En raison de la nature compliquée de la reconstruction énergétique, c'est tout un défi de reconstruire des événements de neutrinos de supernova dans un détecteur à argon liquide. Gardiner construit actuellement des simulations informatiques qui peuvent modéliser les différentes signatures qui peuvent se produire lorsqu'un neutrino interagit avec l'argon liquide dans DUNE.

« La difficulté est, parce que vous avez tellement d'états excités par l'argon disponibles, vous avez toutes sortes de signatures différentes qui pourraient être produites dans votre détecteur, " a-t-il dit. " Et vous devez faire face à ce niveau de complexité pour reconstruire entièrement l'énergie d'une collision de neutrinos. "

Ensuite, il y a le défi de démêler le signal du bruit. Les neutrinos de supernova transportent beaucoup moins d'énergie que, dire, les neutrinos produits par un accélérateur de particules, les signaux qu'ils produisent dans l'argon sont donc plus faibles. Déterrer ces interactions de basse énergie nécessite à la fois un détecteur sensible et une connaissance des différentes signatures de l'interaction.

"Les neutrinos de haute énergie sont plus faciles à détecter, et leurs interactions sont bien connues. Nous savons comment ils se comportent, " dit Gil Botella. " Mais à ces bas, énergies de supernova-neutrino, les interactions avec l'argon ne sont pas très connues. Nous n'avons pas beaucoup de données expérimentales pour dire ce qui se passe lorsqu'un neutrino de basse énergie interagit avec l'argon."

Et les scientifiques des autres projets mondiaux sur les neutrinos cherchent à changer cela, planifier des expériences qui brosseraient un tableau plus clair des neutrinos de basse énergie.

« Étudier les neutrinos est une affaire délicate, et nous avons plus de travail à faire, mais les capacités technologiques de DUNE rendent ces défis beaucoup plus faciles à relever, " a déclaré Gardiner. " Les gains en physique seront énormes. Si nous allons aborder ces questions, DUNE est un bon moyen de le faire."

Station d'oscillation

DUNE pourrait également aider à éclairer notre compréhension de l'oscillation des neutrinos d'une manière que d'autres détecteurs ne peuvent pas. Dans les détecteurs Cherenkov, le signal est produit principalement par des antineutrinos électroniques interagissant avec des molécules d'eau. Inversement, l'argon liquide échantillonne également les neutrinos électroniques des éjectas de la supernova.

"Nous avons besoin à la fois de neutrinos électroniques et d'antineutrinos pour démêler les scénarios d'oscillation, " a déclaré Alex Friedland, un physicien des particules et scientifique senior au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie. DUNE, car ce sera le seul détecteur qui pourra voir les neutrinos électroniques, ajoute une pièce manquante à ce puzzle.

Les neutrinos oscillent entre trois saveurs (électron, muon ou tau) lorsqu'ils se déplacent dans l'espace. Les physiciens ont étudié les oscillations des neutrinos dans les neutrinos produits dans le soleil, dans l'atmosphère terrestre, des réacteurs nucléaires et dans les faisceaux de particules à haute énergie créés par les accélérateurs de particules. Mais ils n'ont pas pu les étudier en supernovae, où le nombre de neutrinos produits est tout simplement hors normes par rapport à d'autres sources.

"C'est la frontière d'intensité ultime, " a déclaré Friedland. " La nature le fait pour nous, donc il faut juste en profiter. La supernova est un laboratoire de l'autre côté de la galaxie. Il réalise des expériences, et nous devons « juste » construire le détecteur et faire une mesure. Bien sûr, il est utile de garder à l'esprit que cette mesure est « juste » l'une des tâches les plus difficiles que DUNE, le détecteur de neutrinos le plus avancé jamais construit, entreprendra."

L'oscillation des neutrinos décrit généralement une seule particule changeant les saveurs, mais dans les bonnes circonstances, comme dans le cas d'une supernova qui s'effondre, de nombreux neutrinos peuvent osciller collectivement.

"L'oscillation collective signifie que vous avez des neutrinos qui traversent le fond d'autres neutrinos, et un état de saveur d'un neutrino donné sait ce que tous les autres neutrinos qu'il traverse font en termes de saveur, " a déclaré Friedland.

Avec suffisamment de signaux de neutrinos – qu'un détecteur comme le géant DUNE pourrait amasser – les physiciens peuvent reconstituer le spectre d'énergie des neutrinos électroniques arrivant sur Terre. Ce spectre peut avoir des caractéristiques frappantes imprimées par des oscillations collectives de neutrinos à l'intérieur de la supernova. Avec ces informations, ils peuvent voir comment les neutrinos ont évolué collectivement dans l'étoile mourante.

L'information peut leur donner des indices sur ce qui est arrivé à l'étoile elle-même, également. La densité de neutrinos est si élevée dans une supernova à effondrement de cœur comme 87A qu'elle affecte la façon dont l'étoile explose. L'onde de choc de l'explosion est propulsée par ce que les physiciens appellent le vent propulsé par les neutrinos.

D'autres événements d'effondrement du cœur pourraient ne pas produire une supernova que nous pouvons voir facilement depuis la Terre, mais nous saurons qu'ils se sont produits lorsque les détecteurs de neutrinos enregistrent une rafale.

"Quand une étoile s'effondre dans un trou noir, vous n'aurez probablement pas de feux d'artifice, " expliqua Scholberg. " Les observateurs pourraient ne rien voir, ou tout simplement voir une étoile sortir. Ce genre d'événements serait visiblement visible dans les neutrinos."

Une fois les détecteurs DUNE en place, ils serviront à mesurer les neutrinos provenant des accélérateurs du Fermilab et à attendre patiemment l'explosion d'une supernova. Cela se produit dans notre galaxie en moyenne une fois tous les 30 à 50 ans.

« C'est l'inconvénient du monde des neutrinos de supernova ; nous attendons toujours, " Scholberg a dit. "Tu ferais mieux de ne rien manquer."

Quand cela se produit, une supernova avec effondrement du cœur sera un événement majeur qui affectera de multiples domaines de recherche, y compris la physique des particules et l'astrophysique.

"C'est tellement impressionnant :les supernovae produisent un nombre énorme de neutrinos, ils parcourent une si longue distance, et vous recevez un signal directement de quelque chose qui se trouve à quelques kiloparsecs, " Gil Botella a déclaré. "C'est vraiment incroyable d'avoir accès à l'information à l'intérieur d'une star comme ça. C'est la connexion avec les objets de l'univers, l'inconnu de l'univers."

Les membres du public peuvent s'inscrire pour recevoir des alertes du système d'alerte précoce SuperNova (SNEWS). Le système automatisé comprend actuellement sept expériences sur les neutrinos au Canada, Chine, Italie, Japon et au pôle Sud. Lorsque les neutrinos produits dans une supernova atteignent la Terre, SNEWS enverra des alertes par e-mail pour annoncer leur arrivée, qui captiverait la communauté des chercheurs.

"Une fois que la supernova se produit, vous pouvez oublier tout ce à quoi nous pensions, " a déclaré Friedland. " Le monde de la science en parlera pendant au moins un an ou plus. "