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IceCube est un détecteur multifonctions qui permet aux scientifiques d’adresser plusieurs questions ouvertes en physique moderne, telle que la nature de la matière noire ou l’oscillation des neutrinos. Cependant, la construction de ce détecteur fut pensée pour optimiser la recherche de neutrinos de très haute énergie. De tels neutrinos peuvent nous aider à compendre l’origine et la nature des rayons cosmiques.
Une grande partie de la radiation de notre Univers ne vient pas des étoiles mais d’objets bien plus extrêmes alimentés par des trous noirs et des étoiles à neutrons, comme les supernovas, les pulsars et les sursauts gamma. Ces objets peuvent accélérer des particules, appelées rayons cosmiques, à des énergies dépassant un million de fois celles atteintes par les accélérateurs de particules d’aujourd’hui sur Terre.
Dès les années 1960, les scientifiques spéculèrent sur le fait que ces environnements puissants produisaient également des neutrinos, qui pourraient être utilisés afin d’explorer l’univers – de la même façon que la lumière est utilisée par les télescopes optiques. Mais on réalisa bientôt qu’il fallait un détecteur d’un kilomètre cube afin d’observer ces neutrinos.
IceCube, l’observatoire de neutrinos du pôle Sud, est le premier détecteur de ce type, conçu afin d’observer des neutrinos provenant des sources astrophysiques les plus violentes de notre Univers.
A retenir: IceCube détecte des neutrinos qui possèdent des énergies dépassant la plupart du temps les 50 GeV. En règle générale, on peut affirmer que les neutrinos en-dessous de quelques TeV sont probablement d’origine atmosphérique, i.e. produits par les collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère. Ceux dont l’énergie dépasse les quelques TeV sont quant à eux plus probablement produits par des sources extraterrestres.
IceCube peut également servir d’énorme détecteur de muons, puisqu’il détecte principalement des muons; environ un million pour chaque neutrino observé. La plupart de ces muons sont aussi produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre.
Comment pouvons-nous isoler les neutrinos produits au-delà du système solaire?
En général, les scientifiques appellent tous les signaux auxquels ils ne s’intéressent pas pour une certaine analyse le « bruit de fond ». Ils utilisent le mot « signal » pour l’information qu’ils recherchent.
Pour l’analyse effectuée dans le cadre de cette masterclass, notre signal provient des neutrinos créés par les mêmes générateurs cosmiques qui ont créés les rayons cosmiques et l’immense bruit de fond est composé en grande partie par les neutrinos atmosphériques et les muons.
Critères de sélection. Quelles caractéristiques des évènements observés par IceCube peuvent être utilisés afin de séparer le signal du bruit de fond?
Indice: Pensez à des paramètres comme l’énergie, la direction ou la forme des évènements vus par IceCube. Cette animation peut vous aider à deviner les propriétés importantes à considérer.
Apprenez comment la sélection a été faite par les chercheurs d’IceCube (voir plus de détails ici pour « La sélection d’évènements », page 7).
Plutôt simple, n’est-ce pas? Voyons si vous êtes bons pour deviner comment cette sélection fonctionne. Quiz sur les particules: sélectionner les neutrinos dans IceCube.Plutôt simple, n’est-ce pas? Voyons si vous êtes bons pour deviner comment cette sélection fonctionne. Quiz sur les particules: sélectionner les neutrinos dans IceCube.
L’analyse « Starting Tracks » : à la recherche des neutrinos de très haute énergie dans IceCube
Voici comment une analyse récente publiée par la collaboration IceCube dans Science a approché ce problème: les physiciens cherchent un flux de neutrinos de très haute énergie en regardant les évènements qui commencent à l’intérieur du détecteur IceCube (« starting tracks »).
Si un flux était trouvé, ce serait le premier flux de neutrinos de très haute énergie jamais mesuré. On devrait alors répondre à deux questions :
1) Est-ce que ces neutrinos sont produits au-delà du système solaire?
2) Pouvons-nous pointer les sources exactes où ils ont été crées?
Intéressons-nous aux évènements qui ont été sélectionnés.
Parmi plusieurs millions d’évènements détectés par IceCube entre mai 2010 et mai 2012, 28 évènements neutrinos de très haute énergie ont été trouvés. Seuls les évènements ayant commencé à l’intérieur du détecteur et possédant une énergie reconstruite de plus de 30 TeV ont été sélectionnés. Une analyse ultérieure comprenant une troisième année de données a révélé 37 événements neutrinos de très haute énergie.
Regardez une première fois les 37 évènements neutrinos. Pouvez-vous deviner lequel avait la plus haute énergie?
Maintenant prenez votre temps. Voici un aperçu plus en détails des 37 évènements avec des informations sur chacun d’entre eux.
Adressons maintenant les questions soulevées ci-dessus. Comment pouvons-nous savoir si ces évènements viennent d’au-delà notre système solaire?
Indice. L’équipe IceCube inclut des physiciens théoriciens et expérimentalistes
Nous allons maintenant définir les propriétés de notre flux de neutrinos et produire des graphiques et des tableaux à partir de ça. Est-ce que ce signal est compatible avec les évènements venant du bruit de fond? Pourquoi? Comparez la distribution des données et celle de la simulation et essayer de comprendre comment ces distributions changent lorsque nous modifions la sélection de la coupure d’énergie.
Sommes-nous sûrs que c’est un flux de neutrinos extraterrestres? Pouvons-nous dire à quel point le résultat est significatif?
Indice. Réfléchissez à la quantité de statistiques additionnelle qui pourrait améliorer notre signal et, en supposant que nous ayons fait une hypothèse importante, à la façon dont on pourrait montrer que cette hypothèse est complètement ou partiellement incorrecte.
Maintenant nous sommes prêts à traiter la deuxième question: Pouvons-nous pointer la (les) source(s) dans laquelle (lesquelles) les neutrinos sont produits?
Félicitations! Vous avez réussi à reproduire une analyse de la collaboration IceCube publiée dans Science en novembre 2013.
Informations additionnelles:
Lisez les nouvelles à propos de cette analyse sur le site web d’IceCube.
IceCube: A Giant Frozen Neutrino Catcher, blog post by Matt Strassler
