Notre meilleur modèle de physique des particules regorge de coutures alors qu'il s'efforce de contenir toute l'étrangeté dans l'univers. Maintenant, il semble plus probable que jamais qu'il pourrait éclater, grâce à une série d'événements étranges en Antarctique…
La mort de ce paradigme physique régnant, le modèle standard, est prédite depuis des décennies. Il y a des indices de ses problèmes dans la physique que nous avons déjà. D'étranges résultats d'expériences en laboratoire suggèrent des scintillements de nouvelles espèces fantomatiques de neutrinos au-delà des trois décrits dans le modèle standard. Et l'univers semble plein de matière noire qu'aucune particule du modèle standard ne peut expliquer.
Mais des preuves récentes alléchantes pourraient un jour unir ces vagues brins de données: trois fois depuis 2016, des particules à ultra-haute énergie ont explosé à travers la glace de l'Antarctique, déclenchant des détecteurs dans l'expérience de l'antenne antarctique impulsionnelle transitoire (ANITA), un machine balançant d'un ballon de la NASA bien au-dessus de la surface gelée.
Comme Live Science l'a rapporté en 2018, ces événements - ainsi que plusieurs particules supplémentaires détectées plus tard à l'observatoire de neutrinos antarctique IceCube enterré - ne correspondent pas au comportement attendu des particules du modèle standard. Les particules ressemblent à des neutrinos à ultra haute énergie. Mais les neutrinos à ultra-haute énergie ne devraient pas pouvoir traverser la Terre. Cela suggère qu'un autre type de particule - une qui n'a jamais été vue auparavant - se jette dans le ciel froid du sud.
Maintenant, dans un nouveau document, une équipe de physiciens travaillant sur IceCube a jeté un doute lourd sur l'une des dernières explications restantes du modèle standard pour ces particules: accélérateurs cosmiques, pistolets à neutrinos géants se cachant dans l'espace qui tireraient périodiquement d'intenses balles de neutrinos sur Terre. Une collection de pistolets à neutrinos hyperactifs quelque part dans notre ciel nordique aurait pu injecter suffisamment de neutrinos dans la Terre pour que nous puissions détecter des particules sortant de la pointe sud de notre planète. Mais les chercheurs d'IceCube n'ont trouvé aucune preuve de cette collection, ce qui suggère qu'une nouvelle physique doit être nécessaire pour expliquer les particules mystérieuses.
Pour comprendre pourquoi, il est important de savoir pourquoi ces particules mystérieuses sont si troublantes pour le modèle standard.
Les neutrinos sont les particules les plus faibles que nous connaissons; ils sont difficiles à détecter et presque sans masse. Ils traversent notre planète tout le temps - venant principalement du soleil et rarement, sinon jamais, entrant en collision avec les protons, les neutrons et les électrons qui composent notre corps et la saleté sous nos pieds.
Mais les neutrinos à ultra-haute énergie de l'espace lointain sont différents de leurs cousins à basse énergie. Beaucoup plus rares que les neutrinos de faible énergie, ils ont des «sections efficaces» plus larges, ce qui signifie qu'ils sont plus susceptibles de heurter d'autres particules lorsqu'ils les traversent. Les chances qu'un neutrino à ultra-haute énergie parvienne à travers la Terre intacte sont si faibles que vous ne vous attendez jamais à le détecter. C'est pourquoi les détections ANITA ont été si surprenantes: c'était comme si l'instrument avait gagné deux fois à la loterie, puis IceCube l'avait gagné plusieurs fois dès qu'il avait commencé à acheter des billets.
Et les physiciens savent avec combien de billets de loterie ils devaient travailler. De nombreux neutrinos cosmiques à ultra-haute énergie proviennent des interactions des rayons cosmiques avec le fond micro-ondes cosmique (CMB), la faible rémanence du Big Bang. De temps en temps, ces rayons cosmiques interagissent avec le CMB de la bonne manière pour tirer des particules de haute énergie sur Terre. C'est ce qu'on appelle le «flux», et c'est la même chose partout dans le ciel. ANITA et IceCube ont déjà mesuré à quoi ressemble le flux de neutrinos cosmiques pour chacun de leurs capteurs, et il ne produit tout simplement pas assez de neutrinos de haute énergie que vous vous attendez à détecter un neutrino volant hors de la Terre sur l'un ou l'autre détecteur, même une fois .
"Si les événements détectés par ANITA appartiennent à ce composant neutrino diffus, ANITA aurait dû mesurer de nombreux autres événements à d'autres angles d'élévation", a déclaré Anastasia Barbano, physicienne à l'Université de Genève qui travaille sur IceCube.
Mais en théorie, il aurait pu y avoir des sources de neutrinos à ultra-haute énergie au-delà du flux céleste, a déclaré Barbano à Live Science: ces canons à neutrinos, ou accélérateurs cosmiques.
"S'il ne s'agit pas de neutrinos produits par l'interaction de rayons cosmiques à ultra-haute énergie avec le CMB, alors les événements observés peuvent être soit des neutrinos produits par des accélérateurs cosmiques individuels dans un intervalle de temps donné", soit une source terrestre inconnue, Dit Barbano.
Les blazars, les noyaux galactiques actifs, les sursauts gamma, les galaxies à explosion d'étoiles, les fusions de galaxies et les étoiles à neutrons magnétisées et à rotation rapide sont tous de bons candidats pour ce type d'accélérateurs, a-t-elle déclaré. Et nous savons que les accélérateurs de neutrinos cosmiques existent dans l'espace; en 2018, IceCube a retracé un neutrino de haute énergie vers un blazar, un jet intense de particules provenant d'un trou noir actif au centre d'une galaxie éloignée.
ANITA ne capte que les neutrinos de haute énergie les plus extrêmes, a déclaré Barbano, et si les particules ascendantes étaient des neutrinos boostés par un accélérateur cosmique du modèle standard - très probablement des neutrinos tau - alors le faisceau aurait dû venir avec une pluie de plus bas -des particules énergétiques qui auraient déclenché les détecteurs à faible énergie d'IceCube.
"Nous avons recherché des événements sur sept ans de données IceCube", a déclaré Barbano - des événements qui correspondaient à l'angle et à la longueur des détections ANITA, que vous vous attendriez à trouver s'il y avait une batterie importante de neutrinos cosmiques tirant sur Terre pour produire ces particules montantes. Mais aucun n'est venu.
Leurs résultats n'éliminent pas complètement la possibilité d'une source d'accélérateur. Mais ils "contraignent sévèrement" l'éventail des possibilités, éliminant tous les scénarios les plus plausibles impliquant des accélérateurs cosmiques et de nombreux moins plausibles.
"Le message que nous voulons transmettre au public est qu'une explication astrophysique du modèle standard ne fonctionne pas, quelle que soit la façon dont vous la coupez", a déclaré Barbano.
Les chercheurs ne savent pas quelle est la prochaine étape. Ni ANITA ni IceCube ne sont un détecteur idéal pour les recherches de suivi nécessaires, a déclaré Barbano, laissant aux chercheurs très peu de données sur lesquelles fonder leurs hypothèses sur ces particules mystérieuses. C'est un peu comme essayer de comprendre l'image sur un puzzle géant à partir d'une poignée de pièces seulement.
À l'heure actuelle, de nombreuses possibilités semblent correspondre aux données limitées, notamment une quatrième espèce de neutrino «stérile» en dehors du modèle standard et une gamme de types théoriques de matière noire. Chacune de ces explications serait révolutionnaire.hjh Mais aucune n'est encore fortement favorisée.
"Nous devons attendre la prochaine génération de détecteurs de neutrinos", a déclaré Barbano.
