Une visualisation de l'événement Glashow enregistré par le détecteur IceCube. Chaque cercle coloré montre un capteur IceCube qui a été déclenché par l'événement ; les cercles rouges indiquent les capteurs déclenchés plus tôt dans le temps, et les cercles vert-bleu indiquent les capteurs déclenchés plus tard. Cet événement a été surnommé "Hydrangea". Crédit :Collaboration IceCube
Le 6 décembre, 2016, une particule de haute énergie appelée antineutrino électronique a atterri sur Terre depuis l'espace extra-atmosphérique à une vitesse proche de la vitesse de la lumière transportant 6,3 pétaélectronvolts (PeV) d'énergie. Au plus profond de la calotte glaciaire du pôle Sud, il s'est brisé en un électron et a produit une particule qui s'est rapidement désintégrée en une pluie de particules secondaires. L'interaction a été capturée par un télescope massif enterré dans le glacier antarctique, l'Observatoire des neutrinos IceCube.
IceCube avait vu un événement de résonance Glashow, un phénomène prédit par le lauréat du prix Nobel de physique Sheldon Glashow en 1960. Avec cette détection, les scientifiques ont fourni une autre confirmation du modèle standard de la physique des particules. Il a également démontré la capacité d'IceCube, qui détecte des particules presque sans masse appelées neutrinos à l'aide de milliers de capteurs intégrés dans la glace de l'Antarctique, faire de la physique fondamentale. Le résultat a été publié le 10 mars dans La nature .
Sheldon Glashow a proposé cette résonance pour la première fois en 1960 lorsqu'il était chercheur postdoctoral dans ce qui est aujourd'hui l'Institut Niels Bohr à Copenhague, Danemark. Là, il a écrit un article dans lequel il a prédit qu'un antineutrino (un jumeau d'antimatière d'un neutrino) pourrait interagir avec un électron pour produire une particule encore inconnue - si l'antineutrino avait seulement la bonne énergie, grâce à un processus connu sous le nom de résonance.
Lorsque la particule proposée, le W - boson, a finalement été découvert en 1983, il s'est avéré être beaucoup plus lourd que ce que Glashow et ses collègues avaient prévu en 1960. La résonance Glashow nécessiterait un neutrino d'une énergie de 6,3 PeV, presque 1, 000 fois plus énergétique que ce que le grand collisionneur de hadrons du CERN est capable de produire. En réalité, pas d'accélérateur de particules fabriqué par l'homme sur Terre, en cours ou en projet, pourrait créer un neutrino avec autant d'énergie.
Mais qu'en est-il d'un Naturel accélérateur — dans l'espace ? Les énormes énergies des trous noirs supermassifs au centre des galaxies et d'autres événements cosmiques extrêmes peuvent générer des particules avec des énergies impossibles à créer sur Terre. Un tel phénomène était probablement responsable de l'antineutrino de 6,3 PeV qui a atteint IceCube en 2016.
L'antineutrino électronique qui a créé l'événement de résonance Glashow a parcouru une bonne distance avant d'atteindre IceCube. Ce graphique montre son parcours; la ligne pointillée bleue est la trajectoire de l'antineutrino. (Pas à l'échelle.) Crédit :IceCube Collaboration
"Quand Glashow était post-doctorant chez Niels Bohr, il n'aurait jamais pu imaginer que sa proposition non conventionnelle de produire le W - boson serait réalisé par un antineutrino d'une galaxie lointaine s'écrasant sur la glace de l'Antarctique, " dit Francis Halzen, professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison, le siège de la maintenance et des opérations IceCube, et chercheur principal d'IceCube.
Depuis qu'IceCube a commencé à fonctionner à plein régime en mai 2011, l'observatoire a détecté des centaines de neutrinos astrophysiques de haute énergie et a produit un certain nombre de résultats significatifs en astrophysique des particules, y compris la découverte d'un flux de neutrinos astrophysiques en 2013 et la première identification d'une source de neutrinos astrophysiques en 2018. Mais l'événement de résonance Glashow est particulièrement remarquable en raison de son énergie remarquablement élevée ; ce n'est que le troisième événement détecté par IceCube avec une énergie supérieure à 5 PeV.
"Ce résultat prouve la faisabilité de l'astronomie des neutrinos - et la capacité d'IceCube à le faire - qui jouera un rôle important dans la future physique des astroparticules multimessagers, " dit Christian Haack, qui était étudiant diplômé à RWTH Aachen tout en travaillant sur cette analyse. "Nous pouvons maintenant détecter des événements de neutrinos individuels qui sont incontestablement d'origine extraterrestre."
Le résultat ouvre également un nouveau chapitre de l'astronomie des neutrinos car il commence à démêler les neutrinos des antineutrinos. "Les mesures précédentes n'étaient pas sensibles à la différence entre les neutrinos et les antineutrinos, ce résultat est donc la première mesure directe d'une composante antineutrino du flux de neutrinos astrophysique, " dit Lu Lu, l'un des principaux analyseurs de cet article, qui était post-doctorant à l'Université de Chiba au Japon pendant l'analyse.
"Il y a un certain nombre de propriétés des sources de neutrinos astrophysiques que nous ne pouvons pas mesurer, comme la taille physique de l'accélérateur et la force du champ magnétique dans la région d'accélération, " dit Tianlu Yuan, un scientifique adjoint au Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center et un autre analyseur principal. "Si nous pouvons déterminer le rapport neutrino/antineutrino, nous pouvons étudier directement ces propriétés."
Un schéma de la partie dans la glace d'IceCube, qui comprend 86 cordes tenant 5, 160 capteurs de lumière disposés dans une grille hexagonale tridimensionnelle. Crédit :Collaboration IceCube
Pour confirmer la détection et faire une mesure décisive du rapport neutrino/antineutrino, la collaboration IceCube veut voir plus de résonances Glashow. Une extension proposée du détecteur IceCube, IceCube-Gen2, permettrait aux scientifiques de faire de telles mesures de manière statistiquement significative. La collaboration a récemment annoncé une mise à niveau du détecteur qui sera mise en œuvre au cours des prochaines années, la première étape vers IceCube-Gen2.
Glashow, maintenant professeur émérite de physique à l'Université de Boston, fait écho au besoin de plus de détections d'événements de résonance Glashow. "Pour être absolument sûr, nous devrions voir un autre événement de ce type à la même énergie que celui qui a été vu, " dit-il. " Jusqu'à présent, il y en a un, et un jour il y en aura plus."
Enfin et surtout, le résultat démontre la valeur de la collaboration internationale. IceCube est exploité par plus de 400 scientifiques, ingénieurs, et du personnel de 53 institutions dans 12 pays, ensemble connu sous le nom de collaboration IceCube. Les principaux analyseurs de ce document ont travaillé ensemble à travers l'Asie, Amérique du Nord, et européennes.
IceCube se trouve au pôle Sud, en attendant de voir des particules du cosmos. Crédit :Yuya Makino, IceCube/NSF
"La détection de cet événement est une autre 'première, ' démontrant une fois de plus la capacité d'IceCube à fournir des résultats uniques et exceptionnels, " dit Olga Botner, professeur de physique à l'Université d'Uppsala en Suède et ancien porte-parole de la collaboration IceCube.
"IceCube est un beau projet. En quelques années de fonctionnement, le détecteur a découvert ce pour quoi il était financé :les neutrinos cosmiques les plus énergétiques, leur source potentielle dans les blazars, et leur capacité à aider à l'astrophysique multi-messagers, " dit Vladimir Papitashvili, chargé de programme au Bureau des programmes polaires de la National Science Foundation, Le principal bailleur de fonds d'IceCube. James Whitmore, chargé de programme à la Division de physique de la NSF, ajoute, "Maintenant, IceCube étonne les scientifiques avec une riche source de nouveaux trésors que même les théoriciens ne s'attendaient pas à trouver si tôt."
