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Les neutrinos cosmiques pistés par radar

Une équipe scientifique internationale dirigée par le professeur Krijn de Vries, de la VUB, et le Dr Steven Prohira, de l’Université d’État de l’Ohio a pour la première fois réussi à détecter par radar la signature d’un neutrino cosmique, une particule élémentaire. Les scientifiques recherchaient la signature radar de ces particules depuis les années 1940.

Les neutrinos restent un mystère, depuis leur découverte il y a plus de cinquante ans. Ces particules élémentaires viennent des coins les plus reculés de l’Univers. Ils sont pratiquement sans masse et n’interagissent pratiquement pas avec le reste de la matière. Nous sommes en permanence traversés par des millions de neutrinos, sans que cela n’affecte notre existence.

Très exceptionnellement, un neutrino à haute énergie entre en collision avec une autre particule de matière. C’est par exemple le cas dans la glace polaire. En Antarctique, l’expérience IceCube, à laquelle les chercheurs belges participent, surveille un cube de glace d’un kilomètre de côté bardé de détecteurs lumineux. Quand un neutrino y entre exceptionnellement en collision avec une particule de matière, cela émet un faible rayonnement, qui est alors détecté et qui permet de reconstruire la trajectoire, et éventuellement l’origine de cette particule.

Mais IceCube ne peut pas détecter tous les neutrinos. Ce dispositif est particulièrement efficace pour détecter les neutrinos dont l’énergie est inférieure à 10 milliards d’électrons-volts (PeV).

Afin de pouvoir détecter les neutrinos ayant une énergie plus élevée, les scientifiques explorent donc d’autres méthodes. Ils étudient notamment les signaux radio que les neutrinos génèrent lors d’une collision.

L’équipe du Pr de Vries et du Dr Prohira a ainsi pu démontrer pour la première fois que la technologie radar pouvait être utilisée à cette fin. Dans le laboratoire de l’accélérateur américain de particules SLAC, en Californie, ils ont utilisé un faisceau d’électrons de haute énergie pour imiter la trace d’une particule dans une cible en plastique, similaire à la trace laissée par un neutrino lorsqu’il entre en collision dans la glace antarctique. Tandis qu’une antenne émet des ondes radio sur la cible en plastique, d’autres antennes surveillent la situation. Et récemment, ces autres antennes ont pu détecter la traînée de particules.
« Avec ce test, nous avons montré que le principe fonctionne. Une trace de neutrino d’une énergie comprise entre 10 et 100 PeV sera bien sûr différente de la trace mesurée lors de cette expérience, mais sur la base de simulations, nous pensons pouvoir la détecter de toute façon, notamment en envoyant une onde radar plus puissante dans la glace », indiquent les chercheurs.

L’année prochaine, l’équipe espère construire une installation de ce genre en Antarctique pour y tester cette méthode du radar.

« Le type de neutrinos que nous pourrons détecter grâce à cette technologie radar devrait nous en dire davantage sur les phénomènes astronomiques extrêmement énergiques qui existent dans notre Univers. Cela pourrait même mettre en lumière de nouveaux aspects de la physique », estime le Pr de Vries.

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