Il a transformé un kilomètre cube de glace du pôle Sud en télescope qui capte des particules venues des profondeurs de l'espace.
- Les neutrinos arrivent en ligne droite depuis les lieux les plus violents de l'Univers, mais ne heurtent presque jamais rien.
- Halzen a proposé d'enfouir des capteurs de lumière dans la glace profonde de l'Antarctique pour saisir le rare éclair produit quand l'un d'eux heurte quelque chose.
- IceCube, achevé en 2011, a détecté les premiers neutrinos de haute énergie venus de bien au-delà de notre système solaire.
Le problème de départ
L'espace abrite des accélérateurs de particules naturels qui projettent des particules jusqu'à un million de fois plus énergétiques que tout ce qu'un laboratoire sur Terre peut atteindre. Ces sources restaient en grande partie un mystère, y compris leur nature et leur position.
Les particules chargées qu'elles nous envoient sont déviées par les champs magnétiques en chemin. Leur direction ne vous apprend donc rien, et la lumière peut être bloquée par la poussière. Les neutrinos voyagent en ligne droite et traversent la poussière. Mais ils sont si difficiles à capter qu'aucun détecteur n'était assez grand pour voir les rares neutrinos de haute énergie venus des profondeurs de l'espace.
Comment ça marche
Prenons un neutrino de haute énergie produit près d'un trou noir géant dans une galaxie lointaine, l'un des lieux que soupçonnent les scientifiques. Il traverse l'espace en ligne droite, sans être dévié par les champs magnétiques ni arrêté par la poussière, et peut même traverser la Terre entière. Dans IceCube, entre 1 450 et 2 450 mètres sous la surface, il a une infime chance de heurter un noyau atomique de la glace.
S'il le fait, il produit une particule chargée qui file à travers la glace et émet un faible cône de lumière bleue. Dans la glace la plus transparente, cette lumière peut parcourir environ 200 mètres avant d'être absorbée, si bien que de nombreux capteurs la captent. L'instant d'arrivée à chaque capteur révèle la direction du neutrino, et la quantité de lumière révèle son énergie.
L'atmosphère produit aussi des neutrinos, si bien qu'un seul événement prouve rarement quoi que ce soit. Les scientifiques rassemblent de nombreux événements et vérifient si leurs énergies correspondent à une source cosmique plutôt qu'à l'atmosphère.
Le sillage d'un bateau, la nuit
Imaginez un lac sombre couvert de capteurs de mouvement, et un bateau invisible. Vous ne pouvez pas voir le bateau, mais son sillage s'étale en cône, et les capteurs enregistrent l'instant où le sillage atteint chacun d'eux. À partir de ces instants, vous pouvez déduire la direction du bateau. Dans IceCube, le rare neutrino qui heurte un atome produit une particule chargée. Cette particule laisse dans la glace un cône de lumière bleue, que les capteurs chronomètrent de la même façon. L'analogie a une limite : le neutrino lui-même ne laisse aucun sillage, et presque tous les neutrinos traversent le détecteur entier sans laisser de trace.
- Ces travaux ont lancé une nouvelle forme d'astronomie : observer l'Univers des hautes énergies avec les neutrinos, en plus de la lumière.
- IceCube a mis en évidence un flux continu de neutrinos cosmiques atteignant des énergies d'un pétaélectronvolt, bien au-delà de ce qu'atteint le Grand collisionneur de hadrons (LHC).
- IceCube a détecté les premiers neutrinos pointant vers des galaxies précises : TXS 0506+056 en 2017, et NGC 1068, à 46 millions d'années-lumière, en 2022. Aucune des deux n'est encore une source confirmée.
- En 2026, avec 12 ans de données, IceCube a confirmé que la Voie lactée est une source de neutrinos de haute énergie, au niveau que les physiciens qualifient de découverte.
- L'approche s'est répandue. Des télescopes similaires sont en développement en Méditerranée, dans le lac Baïkal, en mer de Chine méridionale et au large du Canada, et IceCube-Gen2 est prévu sur huit kilomètres cubes.
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Il a enfoui des capteurs de lumière dans la glace profonde du pôle Sud pour capter des particules fantômes venues de galaxies lointaines, et cela a marché.
À un enfant
Certaines minuscules particules venues de l'espace traversent la Terre entière sans rien percuter. Un scientifique nommé Francis Halzen a placé des milliers de détecteurs de lumière au fond de la glace, au pôle Sud. Quand l'une de ces particules percute la glace, elle produit un petit éclair de lumière bleue, et les détecteurs le captent.
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Les neutrinos sont des particules qui traversent presque tout, y compris la Terre entière. Cela en fait des messagers parfaits venus des lieux violents de l'espace lointain, mais presque impossibles à capter. Francis Halzen a compris que la glace transparente du pôle Sud pouvait servir de détecteur géant. Il a dirigé l'équipe qui en a rempli un kilomètre cube de capteurs de lumière. En 2013, IceCube a rapporté la première mise en évidence de neutrinos de haute énergie venus de bien au-delà de notre système solaire.
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L'Univers possède des accélérateurs de particules naturels, peut-être notamment les régions autour des trous noirs géants, bien plus puissants que tout ce que nous savons construire. Nous voulons savoir ce qu'ils sont, mais l'essentiel de ce qu'ils nous envoient est dévié ou bloqué en chemin. Les neutrinos sont différents. Ils voyagent en ligne droite et traversent la poussière, les planètes et vous-même. Le problème, c'est qu'ils ne heurtent presque jamais rien, si bien qu'il faut un détecteur immense. L'idée de Halzen, dès 1988, était d'utiliser la glace sous le pôle Sud. Des équipes ont foré des trous à l'eau chaude et y ont descendu 5 160 capteurs de lumière sur 86 câbles, jusqu'à environ deux kilomètres et demi de profondeur. Pensez à un bateau invisible, la nuit, dont vous pouvez suivre le sillage grâce à des capteurs posés sur l'eau. Quand un neutrino heurte, rarement, un atome de la glace, il produit une particule qui laisse un cône de lumière bleue. Les capteurs chronomètrent cette lumière pour déduire d'où venait le neutrino. En 2017, un neutrino a pointé droit vers une galaxie en éruption appelée TXS 0506+056, et des télescopes du monde entier se sont tournés vers elle. C'est une nouvelle façon de voir le ciel.
- Neutrino
- Une minuscule particule sans charge et de masse presque nulle, qui traverse presque tout.
- Rayons cosmiques
- Des particules chargées, surtout des protons, qui frappent la Terre depuis l'espace, parfois avec une énergie énorme.
- Lumière Tcherenkov
- Une faible lumière bleue émise par une particule chargée quand elle va plus vite que la lumière dans la glace.
- Module optique
- Un capteur d'IceCube : un détecteur de lumière et son électronique, dans une sphère de verre d'environ 35 cm de diamètre.
- PeV (pétaélectronvolt)
- Une unité d'énergie des particules, plus de cent fois l'énergie que le LHC donne à un proton.
- Blazar
- Une galaxie dotée d'un trou noir géant dont le jet de particules pointe presque droit vers la Terre.
- Astronomie multimessager
- L'étude d'un même événement cosmique à l'aide de plusieurs signaux à la fois, comme la lumière et les neutrinos.
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.