Chaque seconde, 100 000 milliards de neutrinos traversent le corps humain. Ces minuscules, presque sans masse
Les neutrinos sont le nom général du neutreparticules fondamentales à spin demi-entier, participant uniquement aux interactions faibles et gravitationnelles et appartenant à la classe des leptons. Actuellement, trois types de neutrinos sont connus : les neutrinos électroniques, muoniques et tau, ainsi que leurs antiparticules correspondantes.
Les neutrinos sont produits dans de nombreux processus, par exemplelors de réactions thermonucléaires à l'intérieur des étoiles et lors d'explosions de supernova. Le problème est que ces particules sont incroyablement difficiles à détecter. Cela nécessite un détecteur unique en son genre capable de les détecter.
Où trouve-t-on les neutrinos ?
Construction de l'observatoire de neutrinos IceCubeau pôle Sud a été officiellement achevé le 18 décembre 2010. Il a été développé pour rechercher des neutrinos cosmiques de haute énergie. Le détecteur lui-même se compose de 5 160 capteurs optiques – des modules optiques numériques (DOM) – placés dans un kilomètre cube de glace de l’Antarctique.
Comment se manifeste un neutrino ?
Lorsqu'un neutrino interagit avec une molécule de glace,les particules chargées secondaires qui en résultent émettent de la lumière bleue grâce à un processus connu sous le nom de rayonnement Tchérenkov. La lumière traverse ensuite la glace et peut atteindre certains DOM. En conséquence, les chercheurs reconstruisent l’énergie et la direction de la particule. Ce processus est basé sur la connaissance des propriétés optiques de la glace. Cependant, une fois, cette manifestation des neutrinos a grandement surpris les scientifiques.
Le rayonnement Tchérenkov est une forme d'énergiequi peut être observée comme une lueur bleue provoquée par les particules chargées qui composent les atomes (électrons et protons) se déplaçant dans un certain environnement à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière.
Phénomène unique
En 2013, les collaborateurs de la collaboration IceCubeobservé un phénomène unique où la luminosité observée de la source lumineuse dépendait de la direction de la lumière. L'effet est connu sous le nom d'anisotropie optique de la glace. Jusqu’à présent, les chercheurs ont tenté de décrire l’anisotropie en utilisant les variations d’absorption et de diffusion provoquées par les impuretés, mais sans succès.
L'anisotropie est la différence entre les propriétés d'un milieu dans différentsles orientations au sein de cet environnement ; par opposition à l'isotropie. Pour certaines propriétés, le milieu peut être isotrope, et pour d'autres, anisotrope ; le degré d'anisotropie peut également varier.
Dans une nouvelle étude publiéeDans le magazine The Cryosphere, l'équipe d'IceCube l'a expliqué. Il s’est avéré que cela était dû aux propriétés biréfringentes des cristaux de glace allongés, qui courbent la lumière dans deux directions. En d’autres termes, sans biréfringence, la lumière provient radialement d’une source lumineuse isotrope, et avec la double réfraction, elle dévie lentement vers l’axe du « flux » de glace.
Illustration montrant un nouveau ouverteffet optique : sans biréfringence (en haut), la lumière est émise radialement à partir d'une source de lumière isotrope. Avec la biréfringence (en bas), la lumière est lentement déviée vers l'axe du courant de glace.
Crédit : Collaboration Jack Pyrin/IceCube
Cette découverte a été utilisée pour créer un nouveaumodèle optique de glace basé sur la biréfringence - SpiceBFR. Il est utilisé dans la modélisation des détecteurs et a déjà considérablement amélioré l’interprétation des modèles lumineux résultant de l’interaction des particules dans la glace.
20 ans de recherche
Le modèle optique de la glace utilisé par la collaboration IceCube a été développé depuis les premiers jours de la précédente expérience AMANDA.
Expérience AMANDA (Antarctic Muon And NeutrinoDetector Array est un réseau antarctique de détecteurs de muons et de neutrinos. En fait, il s'agit d'un télescope à neutrinos situé sous la station du pôle Sud d'Amundsen-Scott. En 2005, après neuf ans de fonctionnement, AMANDA a officiellement intégré le projet successeur, l'observatoire de neutrinos IceCube.
Depuis plus de 20 ans, les scientifiques ajoutent de nouvelles découvertesà la compréhension connue de la glace, y compris la disparition des bulles d'air piégées à des profondeurs bien au-dessus du détecteur et qu'en profondeur, l'inlandsis du pôle Sud contient la glace la plus pure de la planète.
Pour améliorer les tentatives précédentes de descriptionanisotropie, les collaborateurs ont soigneusement étudié cet effet, découvrant sa corrélation avec le développement profond des propriétés des cristaux de glace. Cela a amené les scientifiques à croire que les nombreux petits cristaux sélectionnés au hasard qui composent la glace jouent un rôle dans l'anisotropie observée.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Pour étudier la physique, ils ont effectué des simulations,qui a modélisé les différents chemins que pouvait emprunter la lumière à l’intérieur du détecteur. Ils ont ensuite comparé les données simulées avec un vaste ensemble de données d’étalonnage extraites d’IceCube.
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L'ensemble de données d'étalonnage IceCube contientdonnées provenant des 60 000 LED dont sont équipés tous les DOM. Celles-ci émettent à leur tour des impulsions lumineuses successives dans la glace et sont ensuite utilisées pour calibrer les propriétés optiques de la glace.
Quelle est la prochaine étape et pourquoi est-ce important ?
La comparaison des indicateurs a aidé les scientifiques à faireconclusion sur la forme et la taille moyennes des cristaux de glace à l'intérieur de l'IceCube. Cette nouvelle découverte passionnante encourage la création de nouvelles simulations et l’adaptation des méthodes de reconstruction actuelles pour tenir compte du modèle SpiceBFR.
La découverte aidera non seulement IceCube à améliorerinteractions neutrinos reconstruites. La recherche a des implications pour le domaine de la glaciologie dans son ensemble. Comme le notent les auteurs du nouvel ouvrage, les propriétés des cristaux de glace sont étudiées notamment pour comprendre la mécanique de l'écoulement de la glace. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour prédire le bilan de masse de l’Antarctique et l’élévation du niveau de la mer qui en résulterait dans un climat changeant.
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En couverture : rayonnement Vavilov-Cerenkov dans le liquide de refroidissement du réacteur de recherche ATR de l'Idaho National Laboratory. Photo : Laboratoire National d'Argonne