Une expérience en Antarctique révèle d’étranges particules “fantômes” que les physiciens ne peuvent pas expliquer

Lorsque les physiciens ont détecté des signaux de neutrinos de haute énergie provenant d’une direction plutôt improbable dans le cosmos, ils sont naturellement partis à la recherche d’une source puissante qui pourrait l’expliquer.

Un examen approfondi des origines les plus probables de ces formes plus réactives de particules “fantômes” est maintenant arrivé les mains vides, ouvrant la voie à des spéculations plus exotiques sur ce qui pourrait être derrière ces signaux étranges.

Après sept années de données provenant de l’expérience IceCube, une grande équipe de chercheurs du monde entier est maintenant forcée d’admettre que les explications conventionnelles de cette découverte semblent plutôt faibles.

Les neutrinos sont des éléments semblables aux électrons du modèle standard des particules fondamentales. Contrairement aux électrons, ils ont une masse incroyablement faible et ne sont pas chargés.

Cette neutralité à corps mince signifie que les neutrinos n’ont pas envie de s’arrêter et de discuter avec d’autres particules. La désintégration atomique au cœur du Soleil en envoie des torrents à travers la planète à chaque seconde, dont une fraction seulement passe assez près d’un atome pour provoquer une réponse perceptible.

Pour attraper le flash rare d’un neutrino se brisant sur une molécule d’eau gelée, l’observatoire IceCube utilise de longues chaînes d’équipements sensibles à la lumière enfouis sous la glace antarctique.

Depuis près d’une décennie, il enregistre des centaines de flashs par jour, constituant ainsi une vaste base de données sur les directions et les énergies des neutrinos qui s’abattent sur la Terre.

Mais ce n’est pas le seul jeu en ville. À une altitude de près de 40 kilomètres au-dessus de l’Antarctique, suspendue à un ballon d’hélium, l’antenne transitoire à impulsions de la NASA (ANITA) capte des indices de neutrinos à l’énergie ridiculement élevée qui s’écrasent en atomes dans l’atmosphère.

Il est encore tôt pour l’ANITA, mais déjà ses premiers vols au cours des deux dernières années ont permis de repérer plusieurs éclairs révélateurs de ces particules énergétiques. Étrangement, deux de ces signaux ne proviennent pas du ciel vide, mais de la planète elle-même.

Pour un neutrino paresseux tout droit venu du Soleil, ce ne serait pas si surprenant. Mais aux types d’énergies enregistrés par ANITA, les neutrinos deviennent de véritables mondains, fusionnant avec les atomes de notre planète à un rythme beaucoup plus élevé pour en laisser très peu intacts.

“On dit souvent que les neutrinos sont des particules ‘insaisissables’ ou ‘fantomatiques’ en raison de leur remarquable capacité à traverser la matière sans se fracasser contre quelque chose”, explique l’astrophysicien Alex Pizzuto de l’Université du Wisconsin-Madison aux États-Unis.

“Mais à ces énergies incroyables, les neutrinos sont comme des taureaux dans un magasin de porcelaine – ils deviennent beaucoup plus susceptibles d’interagir avec les particules de la Terre.”

Trouver quelques neutrinos “haussiers” qui traversent la planète demande une explication.

Bien sûr, il pourrait s’agir de découvertes fortuites d’exemples incroyablement rares. Être aussi chanceux n’est pas hors de question. Mais il est beaucoup plus probable que les particules détectées aient frappé la planète en faisant partie d’une foule massive.

Les neutrinos de haute énergie ont tendance à naître dans les interactions entre les rayons cosmiques et les noyaux d’atomes, avant d’être poussés par de puissants champs magnétiques dans les profondeurs du cosmos.

C’est pourquoi les chercheurs ont établi des statistiques sur le nombre de neutrinos à haute énergie qu’il faudrait pour qu’ANITA ait de bonnes chances de les repérer, et ont étudié les données d’IceCube pour trouver des événements potentiels qui pourraient être responsables de leur nombre élevé.

“Ce processus fait d’IceCube un outil remarquable pour le suivi des observations de l’ANITA, car pour chaque événement anormal détecté par l’ANITA, IceCube aurait dû en détecter beaucoup, beaucoup plus”, explique la physicienne Anastasia Barbano de l’Université de Genève en Suisse.

“Ce que, dans ces cas, nous n’avons pas fait.”

Alors, on va où maintenant ?

Tout d’abord, il faut savoir que même les expériences professionnelles les mieux financées peuvent être sujettes à des erreurs.

Il y a moins de dix ans, la possibilité de trouver des neutrinos se déplaçant plus vite que la lumière a suscité une vague d’excitation… Une découverte qui a été longuement testée, avant d’être considérée comme une erreur plus que probable.

Les nouvelles découvertes sont actuellement disponibles sur le site de pré impression arXiv.org, et une soumission est en cours pour The Astrophysical Journal, où les résultats seront examinés de plus près par la communauté scientifique.

Mais il y a quelques possibilités alléchantes que nous pouvons envisager dès maintenant, et même oser imaginer des explications en dehors de la physique établie.

“Notre analyse a exclu la seule explication astrophysique du Modèle standard qui reste des événements anormaux de l’ANITA”, dit Pizzuto.

“Donc maintenant, si ces événements sont réels et pas seulement dus à des bizarreries dans le détecteur, alors ils pourraient pointer vers une physique au-delà du modèle standard.”

Une possibilité est que les accélérateurs cosmiques pompent des salves de neutrinos à des échelles de temps trop courtes pour que les scientifiques puissent les saisir avec la technologie actuelle.

Si nous voulons vraiment nous déchaîner, nous pourrons même envisager un rôle pour la matière noire, ou imaginer de nouveaux types de particules qui agissent comme des neutrinos à haute énergie mais qui sont produites d’une autre manière.

Il y a beaucoup de place pour les questions, et pour l’instant, notre recherche des secrets des neutrinos n’en est qu’à ses débuts. Avec tout ce qu’il reste à apprendre, on fonde beaucoup d’espoir sur les neutrinos, qui permettent de percer de grands mystères pouvant mener à une nouvelle physique.

IceCube et ANITA seront sans doute à l’affût d’autres de ces “fantômes” intrigants à haute énergie, dans l’espoir de repousser les limites de la physique.

Le document pré-imprimé est disponible sur arXiv.org.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche