Un détecteur de particules cosmiques en Antarctique a émis une série de signaux bizarres qui défient la compréhension actuelle de la physique des particules, selon un groupe de recherche international qui comprend des scientifiques de Penn State. Les impulsions radio inhabituelles ont été détectées par l'expérience d'antenne transitoire impulsive antarctique (ANITA), une gamme d'instruments pilotés sur des ballons au-dessus de l'Antarctique qui sont conçus pour détecter les ondes radio à partir de rayons cosmiques frappant l'atmosphère.
Le but de l'expérience est de mieux comprendre les événements cosmiques éloignés en analysant des signaux qui atteignent la Terre. Plutôt que de réfléchir sur la glace, les signaux – une forme d'ondes radio – ont été appariés pour venir de sous l'horizon, une orientation qui ne peut pas être expliquée par la compréhension actuelle de la physique des particules et peut faire allusion à de nouveaux types de particules ou d'interactions auparavant inconnues de la science, a déclaré l'équipe.
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique.
« Les ondes radio que nous avons détectées étaient à des angles vraiment raides, comme 30 degrés sous la surface de la glace », a déclaré Stephanie Wissel, professeur agrégé de physique, d'astronomie et d'astrophysique qui a travaillé sur l'équipe Anita à la recherche de signaux de particules insaisissables appelées neutrinos.
Elle a expliqué que par leurs calculs, le signal anormal devait passer et interagir avec des milliers de kilomètres de roche avant d'atteindre le détecteur, ce qui aurait dû laisser le signal radio indétectable car il aurait été absorbé par la roche.
« C'est un problème intéressant parce que nous n'avons toujours pas d'explication à ce que sont ces anomalies, mais ce que nous savons, c'est qu'ils ne représentent probablement pas les neutrinos », a déclaré Wissel.
Les neutrinos, un type de particule sans charge et la plus petite masse de toutes les particules subatomiques, sont abondantes dans l'univers. Habituellement émis par des sources à haute énergie comme le soleil ou les principaux événements cosmiques comme les supernovas ou même le Big Bang, il y a des signaux de neutrinos partout. Le problème avec ces particules, cependant, est qu'ils sont notoirement difficiles à détecter, a expliqué Wissel.
« Vous avez un milliard de neutrinos qui traversent votre miniature à tout moment, mais les neutrinos n'interagissent pas vraiment », a-t-elle déclaré. « Donc, c'est le problème de l'épée à double tranchant. Si nous les détectons, cela signifie qu'ils ont voyagé tout ce chemin sans interagir avec autre chose. Nous pourrions détecter un neutrino provenant du bord de l'univers observable. »
Une fois détectés et retracés à leur source, ces particules peuvent en révéler plus sur les événements cosmiques que même les télescopes les plus puissants, a ajouté Wissel, car les particules peuvent voyager sans être perturbées et presque aussi vite que la vitesse de la lumière, donnant des indices sur les événements cosmiques qui se sont produits à la lumière.
Wissel et des équipes de chercheurs du monde entier ont travaillé à la conception et à la construction de détecteurs spéciaux pour capturer des signaux de neutrinos sensibles, même en quantités relativement petites. Même un petit signal d'un neutrinos tient un trésor d'informations, donc toutes les données ont une signification, a-t-elle déclaré.
« Nous utilisons des détecteurs radio pour essayer de construire vraiment, de très grands télescopes de neutrinos afin que nous puissions aller après un taux d'événements attendu assez faible », a déclaré Wissel, qui a conçu des expériences pour repérer les neutrinos en Antarctique et en Amérique du Sud.
Anita est l'un de ces détecteurs, et il a été placé en Antarctique car il y a peu de chances d'interférence des autres signaux. Pour capturer les signaux d'émission, le détecteur de radio transmis par ballon est envoyé pour survoler des tronçons de glace, capturant ce qu'on appelle des averses de glace.
« Nous avons ces antennes radio sur un ballon qui vole à 40 kilomètres au-dessus de la glace en Antarctique », a déclaré Wissel. « Nous dirigeons nos antennes vers le bas sur la glace et recherchons des neutrinos qui interagissent dans la glace, produisant des émissions radio que nous pouvons alors ressentir sur nos détecteurs. »
Ces neutrinos spéciaux interagissant sur la glace, appelés neutrinos tau, produisent une particule secondaire appelée tau lepton qui est libérée hors de la glace et se désintègre, le terme physique faisant référence à la façon dont la particule perd de l'énergie lorsqu'elle se déplace sur l'espace et se décompose en ses constituants. Cela produit des émissions appelées averses aériennes.
S'ils étaient visibles à l'œil nu, les averses d'air peuvent ressembler à un cierge magique agité dans une direction, avec des étincelles qui la suivent, a expliqué Wissel. Les chercheurs peuvent faire la distinction entre les deux signaux – les douches de la glace et de l'air – pour déterminer les attributs sur la particule qui a créé le signal.
Ces signaux peuvent ensuite être retracés à leur origine, semblable à la façon dont une balle lancée sur un angle rebondira de façon prévisible à un même angle, a déclaré Wissel. Les récentes découvertes anormales, cependant, ne peuvent pas être retracées de manière à ce que l'angle est beaucoup plus net que les modèles existants ne le prédisent.
En analysant les données collectées à partir de plusieurs vols Anita et en la comparant avec des modèles mathématiques et des simulations étendues à la fois des rayons cosmiques réguliers et des douches d'air à la hausse, les chercheurs ont pu filtrer le bruit de fond et éliminer la possibilité d'autres signaux connues basés sur des particules.
Les chercheurs ont ensuite transmis des signaux référencés d'autres détecteurs indépendants comme l'expérience ICECUBE et l'Observatoire de Pierre Auger pour voir si les données des averses d'air à la hausse, similaires à celles trouvées par Anita, ont été capturées par d'autres expériences.
L'analyse a révélé que les autres détecteurs n'avaient rien enregistré qui aurait pu expliquer ce que Anita a détecté, ce qui a conduit les chercheurs à décrire le signal comme « anormal », ce qui signifie que les particules provoquant le signal ne sont pas des neutrinos, a expliqué Wissel.
Les signaux ne correspondent pas à l'image standard de la physique des particules, et bien que plusieurs théories suggèrent que cela peut être un soupçon de matière noire, le manque d'observations de suivi avec ICECUBE et Auger a vraiment rétréci les possibilités, a-t-elle déclaré.
Penn State a construit des détecteurs et analysé les signaux des neutrinos pendant près de 10 ans, a expliqué Wissel, et a ajouté que son équipe conçoit et construit actuellement le prochain grand détecteur. Le nouveau détecteur, appelé Pueo, sera plus grand et mieux pour détecter les signaux de neutrinos, a déclaré Wissel, et il espérons que cela fera la lumière sur ce qu'est exactement le signal anormal.
« Je suppose qu'un effet de propagation radio intéressante se produit près de la glace et aussi près de l'horizon que je ne comprends pas complètement, mais nous avons certainement exploré plusieurs d'entre eux, et nous n'avons pas encore été en mesure de trouver aucun d'entre eux », a déclaré Wissel.
« Donc, en ce moment, c'est l'un de ces mystères de longue date, et je suis ravi que lorsque nous piloterons Pueo, nous aurons une meilleure sensibilité. En principe, nous devrions ramasser plus d'anomalies, et peut-être que nous comprendrons réellement ce qu'ils sont. Nous pourrions également détecter les neutrinos, ce qui serait à certains égards beaucoup plus excitant. »
L'autre co-auteur de Penn State est Andrew Zeolla, un doctorant en physique.
