Cette expérience a détecté des particules fantômes qui ne devraient pas exister

L’Univers est rempli de neutrinos. Ce sont pas moins de 65 milliards par cm² de ces particules élémentaires qui arrivent sur Terre chaque seconde, envoyées par le Soleil. Elles  nous traversent constamment en des quantités affolantes, sans évidemment que nous les sentions. Mais que sont-elles, au juste ? Les physiciens les surnomment « particules fantômes ». Et pour cause, elles interagissent extrêmement peu avec la matière ordinaire, autant que leur masse exacte reste incertaine.

Les détecter est, en conséquence, un calvaire pour les scientifiques. Même quand  la détection existe, les observations peuvent donner d’improbables résultats. Voire impossibles au sens du Modèle standard de la physique. C’est exactement ce qu’il s’est passé durant une récente expérimentation, donnant lieu à l’un de ces récits que seule la physique peut offrir. L’étude qui en résulte a été prépubliée en janvier 2020 sur arXiv et soumise à The Astrophysical Journal.

Rendu artistique d'IceCube, l'observatoire installé au Pôle Sud et dédié à la détection des neutrinos.

Source : Icecube/NSF

Le télescope le plus étrange sur Terre

Installé en plein cœur de l’Antarctique, l’observatoire IceCube est entièrement destiné à la détection des neutrinos. Il est décrit par les physiciens eux-mêmes comme le « télescope le plus étrange sur Terre ». L’observation de ces particules est indirecte. Les détecteurs optiques d’IceCube, enterrés dans le sol glacé de l’Antarctique, surveillent les signaux émis par la collision entre un atome d’oxygène ou d’hydrogène et un neutrino. Mais le twist n’est pas encore là. Car dans le voisinage, en Antarctique, il y a une seconde expérimentation dédiée à ces particules fantômes : ANITA — ANtarctic Impulsive Transient Antenna.

ANITA est divisé en deux composants : un ballon stratosphérique, qui parcourt la région en haute altitude, et une antenne radio pointée vers le sol glacé. Le but est sensiblement le même que pour IceCube : détecter des signaux radio émis par la rencontre entre les neutrinos venant de l’espace et les atomes présents dans la glace de l’Antarctique. La différence entre les deux expériences tient dans le fait que ANITA est à la recherche de neutrinos dont le niveau d’énergie est bien plus élevé… et qui sont donc, plutôt, d’origine extra-solaire. Ce détail est important.

En général, les neutrinos que nous détectons le plus facilement sur Terre proviennent des fusions nucléaires au sein du Soleil, mais certains peuvent nous venir d’événements cosmiques très intenses, comme des supernovas. Les neutrinos arrivant depuis de tels événements sont extrêmement plus énergétiques que ceux du Soleil. C’est là qu’intervient le fameux twist que vous attendez : des signaux récemment détectés par ANITA manquent de logique quand on analyse leur provenance et leur énergie.

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Ces deux neutrinos qui n’auraient jamais dû être détectés

L’expérimentation ANITA est en service depuis 2016 et, au cours des deux dernières années, elle a fini par bel et bien détecter des signaux de neutrinos à très, très haute énergie. Sauf que l’angle de deux d’entre eux montre qu’ils ont traversé une partie de la Terre avant d’être détectés. Ce n’est pas normal et relève, pour les physiciens, d’un véritable casse-tête.

Les neutrinos sont décrits comme des particules fantômes, car elles interagissent très peu avec la matière. Il serait donc tout à fait logique que des neutrinos à faible énergie, provenant donc du Soleil, traversent la Terre sans entrer en collision avec quoi que ce soit — jusqu’à être repéré par ANITA. Sauf que si c’était ce type de neutrinos, ils auraient été détectés aussi par l’IceCube . Or, ces deux étranges neutrinos relèvent d’une très haute énergie : ils ne sont pas censés provenir du Soleil. Ils ne sont pas non plus censés traverser avec autant de facilité la matière ordinaire.

« À ces énergies incroyables, les neutrinos sont comme des taureaux dans un magasin de porcelaine — elles risquent bien davantage d’interagir avec d’autres particules dans la Terre », précise l’un des auteurs de l’étude. En résumé : ces neutrinos étaient pourvus d’un tel niveau d’énergie qu’ils n’auraient pas dû être détectés via cet angle, car ils n’auraient dû pouvoir « traverser » la Terre.

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Aucune explication n’est assez solide

Les scientifiques ont rapidement dégainé une explication possible : si ces neutrinos venaient d’une source particulièrement intense — exceptionnellement intense — alors l’observation pourrait prendre une forme de logique. « Après tout, si une source produit un grand nombre de neutrinos, il est davantage plausible qu’un ou deux parviennent à ANITA », justifient les chercheurs sur le site d’IceCube.

Huit ans de données enregistrées par IceCube ont donc été passés au crible dans le but de trouver une corrélation ; une source intense pouvant justifier d’un nombre suffisant de neutrinos pour qu’une ou deux particules rebelles se soient glissées à travers notre planète. Les scientifiques ont même procédé à des simulations informatiques. Malgré tous les tests effectués, l’explication avancée n’a pu trouver de confirmation. Elle a donc finalement été écartée par les physiciens d’IceCube et ANITA.

Il ne reste donc plus que deux possibilités : une erreur technique ou quelque chose qui contredit notre compréhension actuelle de la physique. « Notre analyse a écarté la dernière explication astrophysique appartenant au Modèle standard (…). Donc maintenant, si ces événements sont réels et non pas des anomalies du détecteur, alors ils pourraient correspondre à des à une physique qui dépasse le Modèle standard » éclaire Alex Pizzuto, l’un des auteurs de l’étude sur laquelle a débouché cette expérimentation.

Aux yeux des physiciens impliqués, la réponse à ce mystère doit attendre la prochaine génération de technologies d’observation spatiale. Il est effectivement possible que la source des neutrinos projette les particules sur un temps trop court pour que les détecteurs les détectent. En revanche, si cela s’avère être une question de pure physique, il se peut aussi que ces neutrinos soient le résultat d’un phénomène inconnu, par exemple en lien avec la matière noire.