Les neutrinos font partie des particules les plus difficiles à détecter en raison de leur masse extrêmement faible et de leurs faibles interactions avec la matière. L'une des raisons pour lesquelles les scientifiques s'intéressent à ces particules est leur capacité à parcourir de longues distances, ce qui signifie qu'elles peuvent détenir des informations sur les processus astrophysiques et les objets se produisant loin de nous.

La collaboration IceCube vise à étudier ces neutrinos en observant la trace qu'ils laissent lorsqu'ils interagissent ou traversent la glace sur les détecteurs.

La présente étude, publiée dans Physical Review Letters , détaille comment IceCube a observé les signaux des neutrinos, dont sept pourraient être le neutrino tau.

Les chercheurs ont utilisé des réseaux de neurones convolutifs (CNN) pour passer au crible 9,7 années de données collectées par l'observatoire du pôle Sud. Leur principal défi consistait à distinguer les trois « saveurs » des neutrinos, qui laissent toutes derrière elles des signaux similaires.

Neutrinos muons, électrons et tau

Le neutrino se décline en trois variantes, ou saveurs, comme on les appelle dans la communauté scientifique :le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau. Ce sont les particules de masse les plus abondantes dans l'univers, puisque 100 000 milliards d'entre elles traversent votre corps chaque seconde !

Cependant, comme mentionné précédemment, ils sont notoirement difficiles à détecter, et il est encore plus difficile de distinguer les saveurs.

"Comparé à d'autres particules, l'isolement des neutrinos est particulièrement difficile en raison de leurs faibles interactions avec la matière. Les neutrinos tau peuvent facilement imiter les neutrinos électroniques ou muoniques, les deux autres types connus de neutrinos, donc les isoler est encore plus difficile", a expliqué le professeur. Doug Cowen de Penn State à Phys.org, l'un des co-auteurs de l'étude.

L'observatoire de neutrinos IceCube se compose de milliers de capteurs optiques sous la glace répartis sur un kilomètre cube au pôle Sud. Lorsque les neutrinos traversent la glace sur les détecteurs, ils laissent deux types de traces :des traces et des cascades.

Comment faire la différence ?

Les traces sont le type de motif le plus courant laissé lorsque les neutrinos muoniques entrent en collision avec la glace, et ce sont des lignes droites de photons.

Les cascades, en revanche, sont moins fréquentes. Ces motifs sont constitués de deux points lumineux ou points lumineux dus à l'interaction initiale avec la glace et au retard ultérieur dans un électron ou une particule tau.

"Un neutrino électronique crée une deuxième boule de lumière si proche de la première qu'IceCube les détecte comme une seule boule. En revanche, un neutrino tau peut parcourir environ 10 mètres avant de se désintégrer, formant une deuxième boule de lumière que IceCube peut distinguer. dès le début", a déclaré le professeur Cowen.

Le problème est que les motifs sont très similaires sur les détecteurs, ce qui les rend difficiles à distinguer. Cette ambiguïté a conduit les chercheurs à utiliser les CNN pour, comme le dit le professeur Cowen, « gérer la myriade de modèles que les neutrinos tau sont capables de produire ».

CNN et modèles

"Les CNN ont été conçus pour distinguer les images, comme les images de chiens, des images de chats et ce, pour différentes races, différents arrière-plans, différents éclairages, etc.", a expliqué le professeur Cowen.

Cela en faisait le candidat idéal pour passer au crible les données collectées par l'observatoire des neutrinos IceCube et identifier les signaux appartenant au neutrino tau.

Pour entraîner le réseau, les chercheurs ont utilisé des données de simulation, qui comprenaient divers modèles correspondant aux interactions des neutrinos tau et au bruit de fond.

Dans ce contexte, le bruit de fond fait référence à des signaux qui pourraient être provoqués par d'autres sources astrophysiques mais qui imitent fidèlement les caractéristiques du neutrino tau.

En entraînant les CNN sur les signaux de neutrinos tau et le bruit de fond, les chercheurs ont cherché à développer un modèle capable de distinguer les véritables signaux de neutrinos tau des autres sources.

"Avec plus de 100 millions de paramètres entraînables, nos CNN pourraient extraire toutes les aiguilles de neutrinos tau de la botte de foin des milieux", a déclaré le professeur Cowen.

Sept candidats neutrinos tau

Les chercheurs s’attendaient à voir six neutrinos tau mais ont fini par en voir sept. Ceci s'inscrit dans la continuité de leurs travaux de 2013, lorsqu'IceCube a réussi à identifier des centaines de neutrinos muoniques et un anti-neutrino électronique provenant d'un trou noir.

Leur analyse a confirmé que tous les types de neutrinos se comportaient comme prévu même après avoir parcouru des distances astronomiques et à des énergies extrêmement élevées, chacun des sept ayant une énergie de 20 TeV ou plus. Pour référence, 1 TeV équivaut à l'énergie de mouvement d'un moustique volant.

"Nous pouvons être certains que nos sept neutrinos tau proviennent de sources astrophysiques car les sources de neutrinos sur Terre, comme l'atmosphère, ne peuvent pas produire de neutrinos tau à cette échelle d'énergie. Les sept neutrinos tau fournissent ainsi une puissante confirmation de la découverte en 2013 par IceCube de neutrinos astrophysiques", a déclaré le professeur Cowen.

Le fait que les trois types de neutrinos aient été confirmés est significatif. En effet, les neutrinos ont la capacité de basculer entre les saveurs lorsqu'ils voyagent dans l'espace, un phénomène appelé oscillations des neutrinos.

C'est seulement la première fois que les chercheurs parviennent à confirmer que les oscillations des neutrinos se produisent à des énergies aussi élevées et sur de si longues distances.

Bien que les chercheurs ne puissent pas affirmer avec certitude à 100 % que les sept signaux sont des neutrinos tau, ils sont confiants dans leurs prédictions. Selon leur analyse statistique, il y a une chance sur 3,5 millions que le signal observé soit dû à des fluctuations aléatoires des données.

"En gros, l'un de nos sept événements a 25 % de chances d'être un neutrino astrophysique électronique ou muonique et non un neutrino tau", a ajouté le professeur Cowen.

Reconnaissance de formes et sources astrophysiques

L’une des observations intéressantes faites par les chercheurs était la façon dont les CNN identifiaient les modèles laissés par les neutrinos tau. Le motif à double cascade est une signature des neutrinos tau et sur lequel les chercheurs pensaient que l'analyse sensible s'appuierait.

Cependant, ce qu’ils ont remarqué était bien plus intéressant. Alors que certains des sept signaux avaient ce modèle de signature, plusieurs n'en avaient pas.

"Nous avons ensuite déterminé que les CNN s'étaient en fait concentrés sur le modèle global de la lumière produite par les deux boules lumineuses et étaient insensibles au modèle de signal des capteurs individuels", a expliqué le professeur Cowen.

Cela signifie que les CNN étudiaient le modèle global, y compris les photons voisins autour des deux points lumineux.

La pertinence de cette découverte s'étend jusqu'à l'origine des neutrinos de haute énergie eux-mêmes.

"Alors que nous affinons nos techniques pour trouver les neutrinos tau et déterminer leurs propriétés à partir des modèles qu'ils produisent dans notre détecteur, nous prévoyons de pouvoir utiliser leur capacité de pointage pour rechercher des sources astrophysiques, peut-être en découvrir de nouvelles ou affiner notre image actuelle des neutrinos de le centre galactique", a conclu le professeur Cowen.