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IceCube a été conçu pour observer des neutrinos ayant une énergie avoisinant les dizaines de téraélectronvolts (TeV, soit 10^12 électronvolts). À des énergies de quelques PeV, ou petaélectronvolts (un millier de TeV, soit 10^15 électronvolts), les principales sources de neutrinos devraient, d’après nos connaissances actuelles, se trouver au-delà du système solaire.
Cependant, grâce au détecteur DeepCore, qui instrumente plus densément la partie centrale d’IceCube, il est possible de détecter des neutrinos de plus faibles énergies, allant aussi bas que 50 GeV.
D’où proviennent les neutrinos observés par IceCube?
L’énergie d’un neutrino, qu’elle soit faible ou élevée, nous en dit plus sur la manière dont ce dernier a été produit.
Les neutrinos de basse énergie sont principalement produits dans des réactions nucléaires, telles que celles qui alimentent le Soleil ou celles se déroulant au sein des supernovas. Les neutrinos ayant la plus basse énergie proviennent cependant des premiers instants de notre Univers, quelques secondes après le Big Bang. Ces particules forment ce que l’on appelle le fond cosmologique de neutrinos, à l’instar du fond diffus cosmologique observable dans le spectre électromagnétique des micro-ondes.
IceCube n’a pas la capacité de détecter ces neutrinos de très faible énergie.
Les neutrinos de haute énergie sont produits lors de collisions impliquant d’autres particules très énergétiques, telles que les collisions entre les rayons cosmiques et les atomes de l’atmosphère terrestre. Leur gamme d’énergie s’étend sur une plage de valeurs allant de quelques MeV à quelques dizaines de PeV.
Dans le domaine dit des très hautes énergies, définies entre quelques TeV et une dizaine de PeV, on retrouve des neutrinos produits par, ou à proximité d’objets célestes extrêmes, tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons.
Finalement, lorsque des neutrinos sont accélérés à des énergies allant au-delà de 10 PeV, nous nous trouvons dans le régime des neutrinos d’ « ultra-haute » énergie (UHE), également appelés neutrinos cosmogéniques. Ces derniers sont produits par l’interaction des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie avec les photons du fond diffus cosmologique.
Il a été calculé que des neutrinos ayant une énergie d’un PeV devraient interagir lors de leur passage à travers la Terre à une fréquence d’une fois par année, sur une surface d’un kilomètre carré. Les neutrinos ayant une énergie de 100 000 PeV interagiraient, quant à eux, à raison d’une fois par siècle, par kilomètre carré. Ou Pour des neutrinos de 100’000 PeV, on devrait observer à peu près une interaction par siècle par kilomètre carré.
IceCube peut détecter des neutrinos à des énergies supérieures à quelques douzaines de GeV, ce qui permet d’observer à la fois le flux de neutrinos atmosphériques et le flux de neutrinos astrophysiques. Le détecteur est particulièrement sensible à la plage d’énergie dépassant le TeV, où le flux de neutrinos astrophysiques est sensé constituer la majeure partie du flux total.
Si nos prédictions quant au flux de neutrinos d’ultra-haute énergie s’avèrent exactes, il nous faudra des années de bon fonctionnement du détecteur afin d’observer un nombre significatif de ces neutrinos. En dépit de cela, la détection d’un seul de ces neutrinos UHE constituerait déjà une grande découverte pour le monde de l’astrophysique des neutrinos.
Comment détecte-t-on un neutrino à l’aide d’IceCube?
IceCube ne peut qu’observer les neutrinos de manière indirecte. Les neutrinos de très haute énergie ayant traversé l’Univers pour ensuite frapper un noyau atomique de la glace sont détectables grâce aux interactions de particules secondaires créées dans la glace. Les réactions nucléaires engendrées par l’interaction d’un seul neutrino génèrent un flot de particules chargées produisant elles-mêmes un flash de lumière bleue, que l’on nomme lumière Tcherenkov (voir la vidéo ci-dessous). Cette impulsion lumineuse est détectée à l’aide d’un ensemble de senseurs optiques figés dans la glace, appelés DOMs (pour Digital Optical Modules).
Les chercheurs d’IceCube ont su produire de très belles représentations visuelles afin d’afficher de manière informative les données recueillies par cet ensemble de plus de 5000 senseurs. Dans le logiciel de visualisation, chaque sphère correspond à un senseur, dont la taille est proportionnelle à la quantité de lumière détectée par ce dernier. L’échelle de couleur représente, quant à elle, l’évolution temporelle de la lumière Tcherenkov parcourant la glace, le rouge indiquant les premières détections et le vert les dernières.
La forme des signaux produits dans le détecteur par la lumière, ainsi que la quantité d’énergie mesurée par les DOMs permettent aux chercheurs d’estimer l’énergie, la direction et même parfois la saveur du neutrino ayant interagi.
Sur l’image ci-dessous, trois signatures distinctes de neutrinos sont représentées :
- La signature de type « Cascade », à gauche, est une signature typique d’un neutrino électronique, qui interagit dans le détecteur en produisant une cascade électromagnétique de particules
- La signature de type « Track », au centre, est, quant à elle, caractéristique d’un neutrino muonique, qui interagit en produisant un muon comme unique particule secondaire. Ce muon traverse alors la totalité du détecteur, laissant dans son sillage une raie lumineuse.
- Finalement, la signature de type « Double Bang », à droite, est caractéristique d’un neutrino tauonique. Ce dernier interagit dans le détecteur en produisant d’abord une cascade hadronique (la première cascade rougeâtre sur l’image) puis un tau, qui se désintègre presqu’immédiatement, déclenchant ainsi une seconde cascade (en vert sur la figure).
Malheureusement, IceCube ne détecte pas uniquement des neutrinos. L’observatoire détecte également les muons produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère. En fait, près d’un million de muons sont détectés pour chaque neutrino observé par IceCube. Comme vous pouvez le deviner, il est parfois difficile de distinguer le signal d’un neutrino parmi ceux laissés par les muons. La signature typique d’un muon est une raie lumineuse (« Track ») traversant la glace du haut vers le bas.
À votre tour: Essayez de deviner quelles particules vous sont présentées dans l’outil de visualisation d’IceCube.
