IceCube est l'une des plus grandes expériences au monde. Il se compose d'un kilomètre cube (près d'un milliard de tonnes) de glace situé profondément sous la surface neigeuse du pôle sud de notre planète. Il est conçu pour détecter les neutrinos de l'espace lointain qui peuvent entrer en collision avec quelque chose à l'intérieur ou à proximité immédiate de ce bloc. Dans cet article, je vais parler un peu de son fonctionnement.
Neutrinos insaisissables
Pour comprendre la motivation de cette expérience, il serait bon de commencer par un petit aperçu des neutrinos. Il existe trois types d'entre eux, ainsi que trois types d'antineutrinos, mais pour l'instant, au lieu de discuter de leurs différences, concentrons-nous sur ce qu'ils ont en commun.
Je n'écrirai pas à chaque fois "neutrino et antineutrino". IceCube ne fait pas de distinction entre les neutrinos et les antineutrinos, donc sauf indication contraire, je les appellerai simplement «neutrinos». Il en va de même pour les muons, par lesquels je parlerai de muons et d'antimuons.
La principale chose que tous les neutrinos ont en commun (à la différence des électrons et des positrons et des quarks et des antiquarks et des photons et de la plupart des autres particules connues) est qu'ils ne sont pas affectés par l'interaction électromagnétique ou une forte interaction nucléaire. Ils ne sont affectés que par une faible interaction nucléaire. Mais il est si faible que les neutrinos traversent facilement d'énormes volumes de matière ordinaire. Cela les distingue des électrons, photons, protons, neutrons et autres hadrons. En fait, des milliards de neutrinos traversent votre corps à chaque seconde - ce fait nous est connu il y a seulement quelques décennies. Comme toutes les tentatives de détection de neutrinos (ou autre chose) se résument à la construction d'un appareil composé de matière ordinaire, le fait que les neutrinos traversent la matière ordinaire sans laisser de traces est plutôt gênant pour quiconque souhaite les observer.
Pensez à quel point ce serait gênant si des photons passaient à travers nos détecteurs photoniques (ces choses sur le visage que nous appelons «yeux») sans aucune trace! Bien sûr, à cause de cela, nous avons des yeux pour détecter les photons, mais il n'y a pas d'yeux pour détecter les neutrinos - de tels yeux seraient inutiles.
Mais bien que la partie des neutrinos qui parviennent à s'écraser sur quelque chose en traversant la matière soit très petite, elle n'est pas égale à zéro, donc, en principe, nous pouvons les détecter. Mais il s'avère que nous n'avons pas d'autre choix que de:
• obtenir un gros morceau de matériau qui arrête le neutrino;
• placer des outils scientifiques autour et à l'intérieur;
• attendez.
Les scientifiques doivent jouer le rôle d'une araignée patiente avec une très grande toile, ou d'un pêcheur silencieux avec un énorme réseau, et attendre qu'un neutrino rare qui vole sans démonter les routes, se retrouve soudain piégé.
Et puis IceCube entre en jeu.
IceCube: un milliard de tonnes de glace
IceCube est une science-fiction devenue réalité. Il s'agit d'un cube de glace géant - pur, sans bulles et presque parfaitement transparent. Sur notre planète, de tels volumes gigantesques de glace idéale ne peuvent être trouvés que dans les plaines proches du pôle sud, profondément sous la surface. Et les scientifiques ont rongé cette glace pendant deux kilomètres et demi, sans utiliser quoi que ce soit de plus rusé que l'eau chaude. Comme le montre la fig. 1, dans chaque trou (un demi-mètre de large), les scientifiques ont disposé une longue chaîne, dont le kilomètre inférieur est constellé de soixante photocellules régulièrement espacées capables de détecter les plus petits éclairs de lumière. En dessous, à une profondeur de mille mètres dans la glace, il fait très sombre. La lumière de la surface de la terre ne pénètre pas à une telle profondeur. Donc, tout ce qu'une photocellule peut détecter dans l'obscurité doit être quelque chose de spécial.
Fig. 1Quelle source de lumière peut apparaître à l'intérieur d'un bloc de glace pure sans vie? La seule source est la physique des particules. Lorsqu'une particule élémentaire transportant beaucoup d'énergie pénètre dans le IceCube et frappe le noyau d'un atome dans la glace, elle crée une cascade de particules se déplaçant à presque la vitesse de la lumière c - plus lentement que la lumière dans le vide, mais plus vite que la lumière dans la glace. Les particules chargées électriquement se déplaçant plus rapidement que la vitesse de la lumière dans un matériau émettent un cône de lumière terne, le rayonnement de Cherenkov (l'essence ici est presque la même que celle d'un avion supersonique émettant un pop bruyant). Bien que cette lumière soit faible, elle peut traverser plusieurs mètres de glace et peut être détectée à l'aide de photocellules. Et comment cette diffusion de la lumière peut dire aux scientifiques:
• approximativement la quantité d'énergie donnée à la glace, étant donné l'estimation approximative de l'énergie transférée par la particule;
• d'où vient la particule?
• des informations sur le type de particule entrant en collision avec le noyau et le type de collision.
Ceci est illustré sur la fig. 2, où deux neutrinos volent du ciel, dont l'un génère une cascade de particules dans lesquelles un muon de haute énergie ne se forme pas, et l'autre génère une cascade dans laquelle un muon de haute énergie est formé. Ce dernier peut se produire lorsqu'un neutrino volant est un neutrino à muons, ce qui peut transformer une interaction faible lors d'une collision en muon. La même chose est montrée sur la fig. 3 pour les neutrinos arrivant de l'autre côté de la Terre qui, du point de vue de l'IceCube, sortent de la terre.
Fig. 2Les seuls types de particules qui peuvent traverser un kilomètre de glace ou même une grande partie de la Terre sont les neutrinos et les muons. Par conséquent, pour détecter un neutrino IceCube, il vous suffit de vous assurer qu'il peut distinguer leur effet des effets des muons. En partie, ce processus est illustré à la fig. 6, où l'on peut voir que le muon entrant donne de la lumière à l'entrée de l'IceCube, mais pas le neutrino.
C'est tout le IceCube. Enfin presque. Il faut également mentionner plusieurs photocellules situées à la surface de la glace dans l'amas IceTop. Leur objectif deviendra clair lorsque nous arriverons à la fig. 7. Et pourtant, par rapport aux détecteurs du Grand collisionneur de hadrons, beaucoup plus petits que l'IceCube, il s'agit d'un détecteur très simple.
Fig. 3La technologie utilisée dans IceCube a été testée sur un morceau de glace dix fois plus petit dans l'expérience AMANDA. La même idée (utilisant le rayonnement Cherenkov en raison des collisions de neutrinos avec la matière) a été utilisée dans de grands réservoirs avec de l'eau au lieu de la glace. Mais vous comprenez qu'un réservoir d'eau de la taille d'un IceCube n'est pas facile à organiser. La seule façon d'obtenir autant d'eau est d'utiliser l'océan, c'est ce que fait l'expérience ANTARES en plaçant des instruments sur des cordes à de grandes profondeurs [
en fait, non - il existe toujours un lac aussi unique que le lac Baïkal, dans lequel le même détecteur est basé sur eau: télescope à neutrinos sous-marin Baïkal // env. perev. ]. Il y a des inconvénients à la glace - une fois que les photocellules sont placées dans des trous avec de l'eau et qu'elles sont gelées, elles ne peuvent plus être obtenues pour réparation en cas de panne. D'un autre côté, il y a des courants dans l'océan que vos capteurs vont bavarder, ainsi que de nombreuses créatures vivantes qui émettent de la lumière, ce qui vous distraira de ce que vous essayez de voir. Dans tous les cas, il est bon d'avoir plusieurs expériences utilisant différentes méthodes pour comparer les résultats et décider de quel aspect vous pouvez avoir confiance.
Ce qu'IceCube voit et peut voir maintenant
Quels processus naturels donnent naissance aux neutrinos et aux antineutrinos qu'IceCube peut détecter? Il peut détecter et mesurer des neutrinos dont les énergies dépassent 100 GeV - de l'ordre de l'énergie de masse (E = mc
2 ) d'une particule de Higgs. Quels sont ces neutrinos?
Fig. 4Certains neutrinos IceCube ne détectent pas: les neutrinos à basse énergie les plus courants émanant de la désintégration de noyaux atomiques instables dans une roche (un exemple de radioactivité), les neutrinos provenant du four intérieur du Soleil et les neutrinos provenant d'explosions de supernova. Pour ces neutrinos, les énergies varient de quelques millièmes à plusieurs centièmes de GeV - bien en dessous du seuil requis pour une détection efficace sur IceCube.
Le neutrino le plus commun observé par IceCube est atmosphérique. Ils apparaissent en fait dans l'atmosphère de la terre en raison des rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont des particules de très hautes énergies, généralement des protons, se brisant sur les noyaux atomiques dans la haute atmosphère, et générant une cascade de hadrons (les soi-disant particules composées de quarks, d'antiquarks et de gluons), ainsi que des photons, des électrons et des positrons. À leur tour, certains de ces hadrons pendant la désintégration peuvent produire des neutrinos. Ces neutrinos ont une large gamme d'énergies, et le nombre de neutrinos diminue rapidement avec l'augmentation de l'énergie. Ils peuvent provenir de partout sur la Terre, comme le montre la fig. 5. Les rayons cosmiques viennent de toutes les directions et entrent en collision avec l'atmosphère terrestre à tous les endroits au-dessus de sa surface, de sorte que des neutrinos peuvent apparaître, atteignant le IceCube de n'importe où sur la surface de la Terre. Un fait géométrique intéressant: IceCube (et tout détecteur similaire) reçoit un nombre égal de neutrinos de toutes les directions - bien que ceux qui sont venus du sous-sol (c'est-à-dire, dans le cas d'IceCube, du nord) passent des milliers de kilomètres à travers la pierre, et ceux qui venaient d'en haut, ne traversent que 1 à 2 kilomètres de glace.
Fig. 5La mesure des neutrinos qui viennent d'en haut est assez problématique. Les neutrinos et les muons sont très courants dans les cascades atmosphériques, mais un muon est beaucoup plus susceptible de donner un signal dans IceCube que les neutrinos, de sorte que la plupart de ce que IceCube voit en venant d'en haut est attribué aux muons, pas aux neutrinos. La plupart du temps, le signal appartient clairement au muon, pas au neutrino (Fig.6), mais parfois quelque chose d'étrange se produit, et la lumière qui distingue le muon du neutrino n'est pas détectée. Dans ce cas, IceCube produira une mesure de «faux neutrino», qui était en fait un muon. Et bien que cela soit rare, tant de muons sont enregistrés que les faux neutrinos doivent être suivis, en particulier pour les basses énergies.
Heureusement, la plupart des muons des rayons cosmiques ne pénètrent pas dans la glace d'un kilomètre et demi d'épaisseur. Ce qui est encore mieux, les muons émergeant des rayons cosmiques au-delà de l'horizon du pôle sud doivent parcourir des centaines ou des milliers de kilomètres à travers la Terre pour entrer dans le IceCube - et ils échouent. Par conséquent, bien que les muons soient capables de créer de faux neutrinos en descendant (vers le centre de la terre), ils ne peuvent pas créer de faux neutrinos en remontant. Par conséquent, les signaux qui montent sont purs et proviennent presque toujours de vrais neutrinos.
Fig. 6: Les rayons cosmiques donnent naissance à des muons, dont certains s'étendent jusqu'au IceCube. Mais contrairement aux neutrinos, les muons transportent avec eux le rayonnement de Cherenkov. Et la plupart des muons ne peuvent pas traverser l'épaisseur de la Terre et ne peuvent donc pas venir d'en bas.Et le reste des neutrinos? Ceux que IceCube est susceptible de détecter, qui sont sa cible principale, sont appelés neutrinos astrophysiques. Qu'est ce que c'est Nous sommes tout à fait sûrs, bien que nous ne le comprenions pas complètement, que quelque chose de très étonnant se passe dans l'espace qui donne naissance aux rayons cosmiques des plus hautes énergies. Ce sont des protons et des noyaux atomiques avec des énergies approchant un million de millions de GeV, et dépassant probablement ce seuil (N'oubliez pas que le Grand collisionneur de hadrons accélère les protons à des énergies de plusieurs milliers de GeV). Il est presque impossible d'imaginer comment ce processus d'accélération aurait pu se produire si les collisions de protons et d'autres matières n'avaient pas passé dans cet accélérateur de particules naturelles éloigné. Toutes ces collisions devraient créer des neutrinos, avec des énergies inférieures à celles des rayons cosmiques à ultra-haute énergie, mais toujours plus importantes que celles observées auparavant. Nous ne savons pas combien il y a de neutrinos dans l'espace, mais nous avons des raisons de croire qu'ils nous suffisent pour les trouver sur IceCube. Nous les avons peut-être déjà trouvés.
Le principal objectif d'IceCube est de détecter les neutrinos astrophysiques et d'aider à découvrir d'où ils viennent. Pour cela, il faut non seulement observer les neutrinos, mais aussi chercher à l'aide de télescopes ordinaires et exotiques, des photons (lumière visible, ondes radio, rayons gamma - pour rien!) Venant du même endroit dans le ciel, et, peut-être en même temps, ou presque en même temps. Par exemple, si quelque part dans l'espace, une explosion de grande force crée de puissants champs magnétiques et électriques qui peuvent accélérer les protons et les électrons vers des énergies extrêmes, diverses interactions entre ces protons, les électrons et le gaz présent peuvent produire à la fois des photons de haute énergie et de l'astrophysique de haute énergie neutrino. Si vous avez de la chance, ces photons peuvent être détectés à l'aide d'un des télescopes spéciaux à peu près au même moment et dans la même direction à partir de laquelle l'IceCube détectera les neutrinos. (Oui, à tout moment, il est possible que nous ne détections qu'un seul neutrino astrophysique). Cela n'est pas arrivé jusqu'à présent, au grand désarroi de tout le monde, mais IceCube a fonctionné il n'y a pas si longtemps.
Dans tous les cas, l'objectif est qu'IceCube voit des neutrinos astrophysiques, il deviendra pour nous le même télescope que les autres, et nous permettra d'observer, bien qu'avec une vision floue des neutrinos, dans quels endroits le ciel est "brillant" grâce aux neutrinos à haute énergie. Historiquement, chaque fois que nous introduisons un nouveau télescope, nous ouvrons de nouveaux objets dans le ciel et en apprenons plus sur les objets déjà découverts. Par conséquent, avec IceCube, on espère qu'il deviendra bientôt un télescope à neutrinos qui ne suivra pas les rayons cosmiques s'écrasant dans l'atmosphère, mais des objets extrêmement énergétiques situés dans l'espace lointain.
Regardez vers le bas et vers le haut
Les neutrinos atmosphériques nous viennent d'en haut, et avec eux viennent les muons, dont certains donnent lieu à un faux effet neutrino. Avec une augmentation d'énergie, leur nombre diminue; par conséquent, des neutrinos astrophysiques suffisamment élevés (avec des énergies approchant un million de GeV) peuvent être observés sans interférence. Mais les neutrinos astrophysiques dont les énergies sont bien inférieures à un million de GeV sont perdus dans la mer des neutrinos atmosphériques. Heureusement, l'accent est mis sur la réduction du nombre de neutrinos atmosphériques et de muons atmosphériques provenant d'en haut, permettant à IceCube de détecter les neutrinos astrophysiques venant d'en haut, avec des énergies allant jusqu'à 10000 GeV. Cette technique a été utilisée pour obtenir des données très intéressantes. Les deux neutrinos de haute énergie dans ces données avaient une énergie si élevée qu'ils n'étaient guère atmosphériques. Mais les 26 restants (dont seulement 10 étaient attendus) n'ont été détectés qu'après avoir utilisé ce focus.
Elle consiste à laisser tomber des neutrinos vers le bas, dont la nature est presque certainement atmosphérique, et à ne laisser que des neutrinos astrophysiques, certains neutrinos atmosphériques et quelques faux neutrinos générés par les muons atmosphériques. Cela ne peut pas être fait avec une précision de 100%, mais vous pouvez essayer, comme le montre la Fig. 7. Les muons de la cascade de particules cosmiques (Fig. 4) arrivent sur IceTop (Fig. 1) en même temps que les neutrinos arrivent sur le IceCube, dans l'intervalle pouvant atteindre plusieurs centaines de millièmes de seconde. Dans ce cas, le neutrino est presque certainement atmosphérique. Sinon, probablement pas. Le fait de jeter les neutrinos atmosphériques est presque certainement considérablement réduit, mais les scientifiques d'IceCube disent qu'ils voient toujours plus de neutrinos que prévu.
Fig. 7: Les neutrinos atmosphériques atteignant le détecteur vont généralement en compagnie de muons se déplaçant en même temps dans la même direction. Certains muons peuvent être fixés sur IceTop. Les neutrinos astrophysiques n'ont pas de tels compagnons, donc IceTop n'enregistrera rien en même temps.