Les physiciens des arts et des sciences ont proposé une nouvelle façon d'exploiter les données des grands télescopes à neutrinos tels que l'observatoire IceCube Neutrino en Antarctique. Crédit :Felipe Pedreros/IceCube et National Science Foundation
Des physiciens de l'Université Washington à St. Louis ont proposé un moyen d'utiliser les données des neutrinos à ultra haute énergie pour étudier les interactions au-delà du modèle standard de la physique des particules. Le modèle « Zee burst » exploite de nouvelles données provenant de grands télescopes à neutrinos tels que l'Observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique et ses futures extensions.
"Les neutrinos continuent de nous intriguer et d'étirer notre imagination. Ces 'particules fantômes' sont les moins comprises dans le modèle standard, mais ils détiennent la clé de ce qui se trouve au-delà, " dit Bhupal Dev, professeur assistant de physique en Arts &Sciences et auteur d'une nouvelle étude en Lettres d'examen physique .
"Jusque là, toutes les études d'interaction non standard à IceCube se sont concentrées uniquement sur les données de neutrinos atmosphériques de basse énergie, " dit Dev, qui fait partie du McDonnell Center for the Space Sciences de l'Université de Washington. "Le mécanisme" Zee burst "fournit un nouvel outil pour sonder les interactions non standard à l'aide des neutrinos à ultra haute énergie d'IceCube."
Événements ultra-énergétiques
Depuis la découverte des oscillations des neutrinos il y a deux décennies, qui a remporté le prix Nobel de physique 2015, les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans la compréhension des propriétés des neutrinos, mais de nombreuses questions restent sans réponse.
Par exemple, le fait que les neutrinos aient une masse si petite oblige déjà les scientifiques à considérer des théories au-delà du modèle standard. Dans de telles théories, "les neutrinos pourraient avoir de nouvelles interactions non standard avec la matière lorsqu'ils se propagent à travers elle, qui affectera de manière cruciale leurs futures mesures de précision, " a dit Dev.
C'est le neutrino le plus énergétique jamais observé, avec une énergie estimée à 1,14 PeV. Il a été détecté par l'observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud le 3 janvier. 2012. Les physiciens d'IceCube l'ont nommé Ernie. Crédit :collaboration IceCube
En 2012, la collaboration IceCube a rapporté la première observation de neutrinos à ultra haute énergie provenant de sources extraterrestres, qui a ouvert une nouvelle fenêtre pour étudier les propriétés des neutrinos aux énergies les plus élevées possibles. Depuis cette découverte, IceCube a signalé environ 100 de ces événements de neutrinos à ultra-haute énergie.
"Nous avons immédiatement réalisé que cela pourrait nous donner une nouvelle façon de rechercher des particules exotiques, comme les partenaires supersymétriques et la matière noire en décomposition lourde, " a déclaré Dev. Depuis plusieurs années, il avait cherché des moyens de trouver des signaux de nouvelle physique à différentes échelles d'énergie et avait co-écrit une demi-douzaine d'articles étudiant les possibilités.
"La stratégie commune que j'ai suivie dans tous ces travaux était de rechercher des caractéristiques anormales dans le spectre des événements observés, qui pourrait alors être interprété comme un signe possible d'une nouvelle physique, " il a dit.
La caractéristique la plus spectaculaire serait une résonance :ce que les physiciens observent comme une amélioration spectaculaire des événements dans une fenêtre énergétique étroite. Dev a consacré son temps à réfléchir à de nouveaux scénarios qui pourraient donner lieu à une telle fonction de résonance. C'est de là qu'est venue l'idée du travail actuel.
Dans le modèle standard, les neutrinos à ultra haute énergie peuvent produire un boson W par résonance. Ce processus, connue sous le nom de résonance Glashow, a déjà été vu à IceCube, selon les résultats préliminaires présentés lors de la conférence Neutrino 2018.
"Nous proposons que des caractéristiques de résonance similaires puissent être induites en raison d'une nouvelle lumière, particules chargées, qui fournit une nouvelle façon de sonder les interactions de neutrinos non standard, " a dit Dev.
Rendu d'une observation des événements à ultra haute énergie qui alimentent le modèle « Zee burst ». Crédit :Yicong Sui, Université de Washington
Faire irruption sur la scène des neutrinos
Dev et son co-auteur Kaladi Babu de l'Oklahoma State University ont considéré le modèle Zee, un modèle populaire de génération de masse radiative de neutrinos, comme prototype pour leur étude. Ce modèle permet aux scalaires chargés d'être aussi légers que 100 fois la masse du proton.
« Ces lumières, les Zee-scalars chargés pourraient donner lieu à une fonction de résonance de type Glashow dans le spectre des événements de neutrinos à ultra-haute énergie à l'observatoire IceCube Neutrino, " a dit Dev.
Parce que la nouvelle résonance implique des scalaires chargés dans le modèle de Zee, ils ont décidé de l'appeler le « Zee burst ».
Yicong Sui à l'Université de Washington et Sudip Jana à l'État d'Oklahoma, à la fois étudiants diplômés en physique et co-auteurs de cette étude, a fait des simulations d'événements et des analyses de données approfondies montrant qu'il est possible de détecter une telle nouvelle résonance à l'aide des données IceCube.
"Nous avons besoin d'un temps d'exposition effectif d'au moins quatre fois l'exposition actuelle pour être suffisamment sensible pour détecter la nouvelle résonance, ce qui ferait environ 30 ans avec la conception actuelle de l'IceCube, mais seulement trois ans d'IceCube-Gen 2, " Dev a dit, se référant à l'extension proposée de nouvelle génération d'IceCube avec un volume de détecteur de 10 km3.
"C'est un moyen efficace de rechercher les nouveaux scalaires chargés chez IceCube, complémentaire aux recherches directes de ces particules au Grand collisionneur de hadrons."
