ANITA à son retour des confins de l'atmosphère

Des rayons cosmiques sortent de l'Antarctique et personne ne sait pourquoi

Pour certains chercheurs, ces faisceaux de particules de haute énergie pourraient changer la face de la physique.

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16 Octobre 2018, 6:45am

ANITA à son retour des confins de l'atmosphère

Quelque chose d'étrange se produit à la surface de l’Antarctique et cette fois, cela n'a rien à voir avec d'hypothétiques OVNI nazis. Des chercheurs affirment que les résultats d’une expérience vieille de dix ans pourraient prouver l'existence d’un nouveau type de particule ayant échappé aux accélérateurs de particules. S'ils disent vrai, la physique moderne changera profondément.

En 2006, des chercheurs affiliés à la NASA ont lancé l'Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), un ballon expérimental chargé d'observer les rayons cosmiques, ces volées de particules de haute énergie qui pleuvent sur la Terre depuis l’espace. Pendant son vol au-dessus de la calotte glacière de l'Antarctique, ANITA a détecté un phénomène que les physiciens n'ont pas pu expliquer : en plus de repérer des rayons cosmiques venus de l’espace, les instruments du ballon ont remarqué que d'autres rayons jaillissaient du sol.

Les physiciens savent de longue date que les particules à haute énergie peuvent pénétrer profondément dans la Terre. Cependant, aucune des particules comprises dans le modèle standard — la théorie physique la plus précise à ce jour — n'est supposée pouvoir traverser la Terre.

Le 23 septembre dernier, l'archive de pré-publications scientifiques arXiv a publié un article intitulé The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube. Ses auteurs, une équipe dirigée par le physicien de l'université d'État de Pennsylvanie Derek Fox, pensent que ces rayons cosmiques sont peut-être la preuve de l'existence d'une particule échappant au modèle standard.

Qu’a vu ANITA en Antarctique ?

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L'expérience ANITA-IV a été lancée en 2016. Image : Wikimedia Commons

La première mission ANITA est partie de la base polaire de McMurdo en décembre 2006. Arrivé à 36 kilomètres d’altitude, l'engin a dérivé au-dessus de l’Antarctique pendant un mois. Sa mission : détecter les impulsions de rayonnement qui se produisent lorsque des neutrinos à haute énergie — une particule de masse presque nulle et sans charge électrique — interagissent avec la calotte polaire de l’Antarctique.

Au début des années 60, le physicien soviétique Gurgen Askaryan a prédit que la rencontre d’une particule à haute énergie et d'un diélectrique dense — un type de matériau qui ne conduit pas l’électricité — produisait une pluie de particules chargées secondaires dont les radiations peuvent être détectées par des antennes radio classiques. Cette interaction, désormais connue sous le nom d’effet Askaryan, permet aux physiciens de détecter des particules qui interagissent à peine avec la matière ordinaire (comme les neutrinos) en observant leurs effets secondaires.

La mission ANITA devait détecter la radiation d’Askaryan produite par la rencontre de neutrinos à haute énergie avec la calotte glaciaire antarctique. Contrairement aux photons, les neutrinos ne perdent par leur énergie pendant qu'ils se propagent dans l'univers. Cette propriété leur permet de transporter de l'information plus loin que les photons — et donc de nous permettre d'entrevoir les coins les plus reculés de l’univers.

Certains modèles physiques « au-delà du modèle standard » prédisent l’existence d'infimes dimensions supplémentaires. Quelques-unes de ces théories suggèrent que la rencontre des rayons cosmiques et de la glace produit des micro-trous noirs ouverts sur ces dimensions. En théorie, tout cela peut être détecté grâce à l’effet Askaryan.

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Le lancement de la première mission ANITA en 2016. Image : UC Irvine

La première mission ANITA n’a pas trouvé trace de ces micro-trous noirs. Cependant, elle a détecté des occurrences d'effet Askaryan déclenchées par l'interaction d'électrons avec la glace, une première. Et mieux encore, elle a détecté des rayons cosmiques qui semblaient jaillir de la calotte glaciaire. Les scientifiques en charge de l'expérience n'en demandaient pas tant.

La première mission ANITA a détecté deux « événements semblables à des rayons cosmiques ascensionnels » pendant son séjour d’un mois au-dessus de l’Antarctique. Contrairement aux rayons cosmiques venus de l’espace, qui engendrent des radiations polarisées verticalement au contact de la glace, ces deux rayons cosmiques anormaux présentaient des plans de polarisation presque horizontaux. Ces observations peuvent être comprises de deux manières différentes. Première option : ces rayons ne provenaient pas de l’espace. Deuxième option : ces rayons arrivaient bien de l'espace et avaient traversé la Terre avant de ressortir par l'Antarctique. Dans les deux cas, la communauté scientifique n'avait jamais rien observé de tel auparavant.

Deux missions ANITA supplémentaires en 2009 et 2014 ont permis de détecter un autre rayon cosmique ascensionnel. Si l’origine de ces manifestations reste mystérieuse, quelques théories surnagent. Pour certains physiciens, elles indiquent que de la matière noire se décompose à l’intérieur de la Terre. John Cherry et Ian Shoemaker pensent qu'elles pourraient descendre de neutrinos stériles, un type de particule de haute énergie qui n’interagit presque jamais avec la matière ordinaire.

Les physiciens ont d'abord essayé d’attribuer ces phénomènes à la décomposition d'une particule appelé neutrino tau lors de son passage à travers la Terre. Cette décomposition est supposée créer une particule élémentaire appelée lepton tau qui serait à l'origine des observations singulières des ballons ANITA.

Seulement voilà, ça ne tient pas. Les particules observées par ANITA suivaient des angles extrêmes — 27 et 35 degrés. Ce genre d'angle n'est pas permis dans le modèle standard. Cela suggère qu'il doit subir des révisions « significatives » pour prendre en compte l’observation d'ANITA — à moins que, comme l’ont évoqué Derek Fox et ses collègues, ANITA n'ait relevé la première trace d’une particule supersymétrique.

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Un pingouin en Antarctique. Image : Daniel Oberhaus

Qu’y-a-t-il au-delà du modèle standard de la physique ?

Le modèle standard a été bâti au fil du siècle dernier. Aujourd'hui, il passe pour le modèle physique le plus précis de l'histoire. Ses arcanes décrivent la plupart des forces fondamentales et classifient les particules élémentaires.

Le modèle standard a beau être doué pour les prédictions, il n’explique pas tout. Certains phénomènes, comme la gravité, l’accélération de l'expansion de l’univers et les oscillations des neutrinos ne font pas partie de son répertoire.

Ces défaillances ont forcé certains physiciens à repenser à la physique « au-delà du modèle standard » — en anglais Beyond the Standard Model, ou BSM. Peut-être avez-vous entendu parler de ces théories exotiques : la théorie des cordes, la théorie M... Cependant, aucune d'entre elles n'est assez solide pour se distinguer des autres.

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Le ballon de la première mission ANITA. Image : UC Irvine

Selon le papier publié sur arXiv en février dernier, les rayons cosmiques observés par ANITA pourraient bien prouver l’existence d’une particule BSM.

Cette théorie repose sur une théorie de physique BSM appelée supersymétrie. Contrairement à la théorie des cordes, cette soi-disant « théorie du tout » qui révise complètement le modèle standard, la supersymétrie le prolonge en ajoutant une nouvelle classe de particules massives à l’équation.

« Si les phénomènes découverts par ANITA sont interprétés correctement, nous affirmons qu'une particule extérieure au modèle standard est nécessaire » explique Fox, contacté par téléphone. « Les propriétés probables de la particule semblent cohérentes, au moins partiellement, avec les propriétés prédites du stau dans certains modèles supersymétriques. » Mais qu'est-ce qu'un stau ?

En supersymétrie, chacune des particules élémentaires du modèle standard est associée à un « superpartenaire » plus lourd. Les leptons tau sont associés aux sleptons tau ou « stau », les électrons aux sélectrons, les quarks aux squarks et ainsi de suite. Aucune de ces particules supersymétriques théoriques, ou sparticules, n’a été produite en laboratoire jusqu’à présent. Produire ces particules nécessitent trop d’énergie pour les accélérateurs de particules contemporains comme le Large Hadron Collider. Certains physiciens espèrent plutôt les détecter en se tournant vers des sources astrophysiques assez riches en énergie pour les produire.

Dans le cas des rayons cosmiques ascensionnels, Fox et ses collègues affirment qu’ils sont cohérents avec les caractéristiques estimées du « stau », le partenaire supersymétrique du lepton tau, ce que le modèle standard ne peut expliquer. Les modèles supersymétriques prévoient qu’un stau qui traverse la Terre depuis l’espace se décompose en un lepton tau et une particule supersymétrique de plus faible masse — pas encore détectée — avant de réapparaître de l’autre côté de la Terre, où le lepton tau peut être détecté par des appareils comme ANITA.

Pour arriver à cette conclusion, Fox et ses collègues ont d’abord démontré que les évènements observés par ANITA n'étaient pas interprétables par le modèle standard. Premier point de friction : dans le cadre du modèle standard, les trajectoires des particules détectées en Antarctique sont « très improbables ». Fox et ses collègues pensent que produire ces trajectoires dans le modèle standard nécessiterait des flux de neutrinos bien plus intenses à ceux qui ont déjà été détectés par les différents observatoires de rayons cosmiques, et signalent que la valeur des angles des rayons cosmiques est hautement improbable dans le modèle standard.

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Une colonie de pingouin en Antarctique. Image : Daniel Oberhaus

En début d’année, des chercheurs du Centre de cosmologie et d’astrophysique de l’université d'État de l'Ohio ont pré-publié un article sur la sensibilité d'ANITA sur arXiv. Leurs travaux les ont amenés à simuler le passage de staus au travers de la Terre afin de comparer leur signature aux observations du ballon de la NASA. Leur question principale : dans une simulation, la rencontre de neutrinos à haute énergie avec le noyau terrestre peut-elle créer des staus comparables aux particules détectées par ANITA ?

« N’importe quel nouveau modèle physique devra expliquer pourquoi des évènements quasi-verticaux sont observés sans que d'autres évènements se produisent en grand nombre à proximité du plan horizontal » explique Amy Connolly, physicienne à l'université d'État de l'Ohio et auteure principale de l'étude. « Nos simulations montrent que des neutrinos à haute énergie peuvent parcourir 10 000 kilomètres à travers la Terre sans donner la priorité à des évènements quasi-verticaux. On pourrait donc s'attendre à bien plus d’évènements de ce genre à proximité du plan horizontal. »

Connolly et ses collègues reconnaissent qu'utiliser ANITA pour chercher des staus est une nouvelle piste de recherche prometteuse. Cependant, la physicienne se méfie des conclusions hâtives concernant la signification des anomalies observées par ANITA.

« Si nous obtenons plus de données, le contexte de ces événements anormaux pourrait apparaître d'un seul coup, sans que nous l'ayons envisagé auparavant », affirme Connolly. « C'est une possibilité chaque fois que nous n'observons que deux événements d'intérêt. (...) S'il est intéressant de constater qu’ANITA voit peut-être au-delà du modèle standard, nous devons faire preuve de prudence et partir du principe que ces évènements relèvent d'un contexte encore inexpliqué. »

Fox acquiesce. Le physicien rappelle qu'il est difficile de lancer des affirmations basées sur des données obtenues dans un seul lieu d'étude. De plus, si les mesures d'ANITA prouvaient réellement l'existence de particules supersymétriques, d'autres laboratoires devraient obtenir des résultats similaires. Fox affirme que c’est la raison pour laquelle la plupart des physiciens hésitent à tirer des conclusions définitives sur ces événements mystérieux.

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L'Antarctique. Image : Daniel Oberhaus

« Si nous pouvions confirmer qu'il s'agit bien d'un preuve de l'existence d’une particule dépassant le modèle standard, de nombreux physiciens se mettraient instantanément à travailler sur les conséquences de cette découverte » indique Fox. « Ce n’est pas ce qui s’est passé. Ce n’est pas assez précis pour le plus grand nombre : certains sont prudents et préfèrent attendre la confirmation d’autres structures. »

Fox et ses collègues ont fait un premier pas dans cette direction en étudiant les données d'observation de l'IceCube Neutrino Observatory du Pôle nord dans l'espoir d'y trouver une trace de phénomènes similaires. Après avoir ajusté les différences dans le système de détection de l'IceCube et d’ANITA, Fox et ses collègues ont identifié trois évènements comparables aux rayons cosmiques ascensionnels observés en Antarctique.

Pour le moment, la théorie de l’équipe de Fox n'est qu'une interprétation des observations d’ANITA parmi d'autres. Impossible d'en avoir le coeur net sans récolter et analyser beaucoup d'autres données. Les chercheurs espèrent que les mesures des deux dernières missions d’ANITA, lancées en 2016 et actuellement en phase d’analyse, révèleront plus d’exemples de rayons cosmiques ascensionnels.

La bonne nouvelle, c'est que l'IceCube ont enregistré davantage d’évènements de neutrinos sur une décennie que toutes les missions ANITA réunies. Plusieurs occurrences de rayons cosmiques ascensionnels pourraient se cacher dans ces données.

« Les physiciens sont à la recherche du stau depuis l’activation du Large Hadron Collider » explique Fox. « Ils le cherchent sans relâche mais ils n'ont pas encore réussi à le voir. C’est passionnant, car cela établit potentiellement une connexion directe entre les rayons cosmiques et le Large Hadron Collider. »

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