13 événements d’ondes radio détectés sous la glace antarctique liés à l’effet Askaryan, prédit en 1962

Le mystère enfoui sous la glace

Dans les profondeurs inhospitalières du continent antarctique, le réseau radio Askaryan scrute le silence glacial. Ce détecteur de neutrinos extrêmement vaste se trouve enfoui à environ 200 mètres, soit 656 pieds, sous la surface gelée. Récemment, les scientifiques travaillant sur ce dispositif ont signalé une activité inhabituelle. Ils ont répertorié 13 détections distinctes, mais à leur grande surprise, ces signaux ne provenaient pas de neutrinos. La source de cette activité a été formellement identifiée comme étant des rayons cosmiques.

Les neutrinos fascinent les chercheurs en raison de leur nature insaisissable. Surnommés « particules fantômes », ils possèdent la particularité de n’interagir presque jamais avec la matière environnante. Leurs seules interactions connues s’opèrent par le biais de la force nucléaire faible et de la gravité. Traquer ces entités invisibles représente un défi colossal, poussant la communauté scientifique à concevoir des stratagèmes complexes pour espérer capter leur passage éphémère dans notre monde matériel.

La course contre la lumière et l’effet Tcherenkov

Pour contourner la nature furtive des neutrinos, les physiciens exploitent un phénomène visuel saisissant : le rayonnement Tcherenkov. Ce phénomène se manifeste lorsqu’une particule traverse un milieu donné à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce même milieu. Dans le vide, la vitesse de la lumière constitue la limite de vitesse absolue de l’univers, plafonnant à 299 792 kilomètres par seconde, soit 186 282 miles par seconde. Rien ne pourra jamais franchir ce seuil, car une telle prouesse exigerait une quantité d’énergie infinie.

La situation change radicalement lorsque la lumière pénètre dans un milieu matériel. Dans l’eau, par exemple, sa course est ralentie à 225 000 kilomètres par seconde (139 808 miles par seconde). Lorsqu’une particule brise cette vitesse ralentie de la lumière, elle génère un éclair bleu caractéristique du rayonnement Tcherenkov. C’est exactement cette signature lumineuse que traquent avec succès des détecteurs géants comme IceCube dans les glaces polaires et KM3NeT dans les profondeurs océaniques.

L’avantage décisif du réseau radio Askaryan

L’approche basée sur le rayonnement Tcherenkov se heurte pourtant à un obstacle majeur. Les chercheurs soupçonnent que cette méthode pourrait passer à côté des neutrinos possédant l’énergie la plus élevée. Ces particules étant considérées comme extrêmement rares, leur capture nécessiterait des détecteurs Tcherenkov couvrant des centaines de kilomètres cubes, un défi logistique et technologique immense. C’est précisément ici que le réseau radio Askaryan entre en scène et dévoile son avantage fondamental : il ne cherche pas le rayonnement Tcherenkov, mais se concentre sur le rayonnement Askaryan.

Ce phénomène physique particulier a été décrit pour la première fois en 1962 par le physicien des particules Gurgen Askaryan. « Prédit pour la première fois par Askaryan en 1962, ce rayonnement a son origine dans la charge nette négative générée dans le front de la gerbe en mouvement, alors que la diffusion de Compton, Bhabha et Møller attire les électrons du matériau environnant dans la gerbe et que les positrons s’annihilent continuellement », explique l’équipe de recherche dans son document officiel. Les scientifiques précisent que « cette signature de radiofréquence (rf) a d’abord été observée et étudiée dans une série d’expériences sur des accélérateurs de particules dans les années 2000, qui ont identifié l’effet Askaryan comme le mécanisme d’émission pertinent pour les cascades dans les diélectriques denses. »

Des rayons cosmiques démasqués grâce aux simulations

Historiquement, le rayonnement Askaryan avait déjà été détecté dans l’air, issu de gerbes produites par des rayons cosmiques. Ces derniers se présentent généralement sous la forme de particules subatomiques, comme des protons ou des noyaux atomiques. Des études théoriques avaient suggéré que ce même rayonnement pouvait être capté dans la glace. Lors de 208 jours d’observations menées en 2019 à l’aide de l’une des cinq stations du réseau ARA, 13 événements d’origine inconnue ont été repérés sous l’épaisseur glaciaire.

« Il avait déjà été émis l’hypothèse que certains de ces événements pourraient être dus à des rayons cosmiques percutant la calotte glaciaire », a expliqué Philipp Windischhofer, membre de l’équipe à l’Université de Chicago, au magazine Physics. Cette intuition est restée au stade de supposition jusqu’à l’arrivée de techniques de simulation récentes. En isolant le signal des sources potentielles de bruit de fond, l’équipe affirme aujourd’hui que ces événements ont été déclenchés par des rayons cosmiques à haute énergie. Cette conclusion atteint un niveau de confiance de 5,1 sigma, ce qui représente la norme d’excellence absolue pour valider une découverte en physique.

Une nouvelle ère pour la traque des neutrinos

L’objectif initial de cette installation demeure la détection des neutrinos et non celle des rayons cosmiques. Les spécialistes s’attendent à ce que les signaux radio émis par ces deux phénomènes présentent de très grandes similitudes visuelles et structurelles sur les outils d’analyse. La découverte récente confirme que le matériel est parfaitement calibré pour identifier ces signatures spécifiques avec une précision redoutable.

L’espoir se tourne désormais vers les profondeurs de la glace. Si les scientifiques parviennent à observer des signaux identiques encore plus bas sous la surface, dans des zones où seuls les neutrinos peuvent pénétrer et où les rayons cosmiques s’arrêtent, un cap historique sera franchi. Cela constituerait la toute première détection de neutrinos utilisant des ondes radio. Cette avancée offrirait une méthode inédite pour traquer les neutrinos dotés des énergies les plus élevées jamais observées. Les détails de cette étude majeure sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Selon la source : iflscience.com