Au cours d’une passionnante expérience menée en Antarctique, des chercheurs ont pour la première fois détecté des neutrinos à haute énergie provenant du centre de notre galaxie. La rareté de ces neutrinos — par rapport à leurs homologues intergalactiques — intrigue les scientifiques depuis fort longtemps. Cette avancée offre une vision inédite de la Voie lactée.
Les neutrinos sont des particules subatomiques extrêmement légères, n’ayant pas de charge électrique et traversant très facilement les gaz, la poussière et les champs électromagnétiques cosmiques — à une vitesse quasi luminique. Ils se forment par le biais de l’interaction entre les rayonnements à haute énergie et la matière. Les particules chargées obtenues, appelées pions, sont ensuite converties en neutrinos en se désintégrant. Bien que ces neutrinos se propagent à travers tout le cosmos, retracer leurs sources initiales est un défi scientifique de longue date.
La majorité des rayonnements cosmiques sont en effet constitués de photons à très haute énergie, pouvant être absorbés par la matière interstellaire et aisément détectés par nos capteurs conventionnels. En revanche, les neutrinos ne portent que très peu de traces de leur « voyage ». Leur détection pourrait éclairer les scientifiques sur les origines profondes des rayonnements cosmiques qui les ont engendrés.
Une cartographie inédite de notre galaxie
Antérieurement, seuls quelques neutrinos à haute énergie ont été retracés depuis leurs sources potentielles. Celles-ci incluaient des trous noirs dévorant des étoiles ou des galaxies très actives (blazars), mais aucune ne semblait inclure notre galaxie — ce qui est étrange compte tenu de sa proximité et de la forte probabilité que des neutrinos s’y forment. « Ce qui est intrigant, c’est que, contrairement au cas de la lumière de n’importe quelle longueur d’onde, pour les neutrinos, l’Univers éclipse les sources proches de notre propre galaxie », déclare dans un communiqué Francis Halzen, chercheur principal de l’expérience au pôle Sud et professeur de physique à l’Université du Wisconsin-Madison.
D’après les chercheurs de l’expédition, la plupart des neutrinos détectés par les capteurs sont des particules proches, se formant lorsque les rayons cosmiques interagissent avec notre atmosphère. Ces neutrinos atmosphériques « noient » les détecteurs sous des milliers d’informations par seconde. Or, ceux susceptibles d’intéresser les scientifiques ne sont détectés qu’environ une fois par jour. Cette condition rend particulièrement difficile la détection de neutrinos à haute énergie pouvant provenir de notre galaxie.
Après 10 ans de recherches, le groupe de 350 scientifiques internationaux de l’expédition a pour la première fois confirmé la détection de neutrinos provenant du centre de notre galaxie. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Science et offrent une cartographie inédite de la Voie lactée. « Maintenant, nous voyons pour la première fois notre galaxie à travers autre chose que la lumière », a déclaré la physicienne de l’Université de Drexel, Naoko Kurahashi Neilson, qui a mis au point la nouvelle méthode qui a permis au groupe de faire la découverte.
Une méthode basée sur l’apprentissage automatique
Baptisé « IceCube », le dispositif, situé en Antarctique, comprend un réseau de puissants capteurs optiques incrustés dans un gigantesque cube de glace d’un kilomètre. Le bloc se trouve entre 1,5 et 2,5 kilomètres de profondeur, sous la croûte de glace polaire. Dans ce milieu translucide, les capteurs détectent jusqu’aux plus infimes rayonnements « Tcherenkov », se formant telle une onde de choc lorsqu’un neutrino frappe la glace et se désintègre en une pluie de particules secondaires.
À savoir que les physiciens peuvent créer artificiellement des neutrinos avec les accélérateurs de particules. Cependant, certains neutrinos provenant de l’espace ont une énergie beaucoup plus élevée que ceux produits en laboratoire.
Stratégiquement installé dans l’hémisphère Sud, IceCube détecte plus facilement les neutrinos cosmiques traversant notre planète, une grande partie de ceux atmosphériques provenant du nord étant déjà préfiltrés par la Terre. De plus, le ciel de l’hémisphère Sud serait le plus susceptible de laisser passer des neutrinos provenant de notre galaxie. Cependant, isoler ces neutrinos parmi les milliers d’autres traversant cet hémisphère reste difficile. L’équipe de recherche a alors développé un nouveau système pour filtrer ce « bruit » atmosphérique.
Le système filtration consiste à l’utilisation de l’apprentissage automatique, couramment utilisé dans les logiciels de reconnaissance d’image. D’un autre côté, les neutrinos à haute énergie se déplacent dans le cube selon deux voies : en « piste » et en « cascade ». La première se manifeste lorsque l’impact du neutrino avec la glace produit un muon de haute énergie. Ce muon traverse la glace en laissant derrière lui des signaux lumineux se déplaçant en ligne droite (effet Tcherenkov). Cette voie de piste peut être utilisée pour retracer les neutrinos depuis leur source, avec un certain degré de précision.
La voie de cascade se produit lorsque le neutrino percutant la glace perd la totalité de son énergie dans une petite région et laisse une empreinte de signal sphérique dans la glace. Il est plus difficile de retracer la source des neutrinos depuis ces signaux sphériques, alors qu’ils sont les plus susceptibles de provenir de notre galaxie. Parmi 60 000 neutrinos détectés par IceCube depuis 10 ans, le modèle d’apprentissage automatique a été formé pour reconnaître ceux se déplaçant en cascade.
Grâce à ce modèle, les scientifiques ont pu trier 30 fois plus de neutrinos rares. En comparaison, il aurait fallu 75 ans pour reconnaître le même nombre de neutrinos avec les méthodes conventionnelles ! Les chercheurs ont ensuite comparé ces données avec celles des rayons gamma à haute énergie de notre galaxie, afin de déterminer si elles concernaient la même source. Résultats : les neutrinos proviendraient du centre de notre galaxie et de ses environs immédiats. Une cartographie inédite a pu être édifiée pour situer précisément les particules. Ces dernières étaient étonnamment rares en comparaison des particules intergalactiques.
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