PUEO, le projet d’étude des neutrinos d’ultra haute énergie, se concrétise

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Le projet PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observation ; Charge Utile pour l’Observation des Ultra-hautes Energie) vise à utiliser la glace de l’Antarctique comme un détecteur géant pour trouver les neutrinos de ultra-haute énergie en provenance de l’espace. Il fait intervenir onze institutions dont sept américaines et est dirigé par Abigail Vieregg, Professeure de Physique à l’Université de Chicago. PUEO a été sélectionné en janvier 2020 par la NASA pour faire partie de son nouveau programme Pioneers au côté de 3 autres projets. Ce programme offre la possibilité à de jeunes chercheurs de réaliser et diriger des projets innovants en astrophysique. Dans ce cadre, le projet PUEO vient de recevoir une enveloppe de 20 millions de dollars de l’Agence spatiale américaine.


Parfois, une question est si vaste qu’il faut tout un continent pour y répondre. Tenez : Abby Vieregg, physicienne à l’Université de Chicago, dirige une expérience internationale qui utilise essentiellement la glace de l’Antarctique comme détecteur géant pour trouver des particules extrêmement énergétiques de l’espace. Récemment approuvé par la NASA, le projet de 20 millions de dollars construira un instrument pour survoler l’Antarctique dans un ballon, à lancer en décembre 2024. En effet, les neutrinos de ultra-haute énergie sont des particules élémentaires produites dans les endroits les plus extrêmes du cosmos comme lors de la création des trous noirs ou les fusions d’étoiles à neutrons. Ces neutrinos interagissent très peu avec la matière et sont capables de parcourir l’univers sans être déviés ou déformés, constituant ainsi une source d’information unique de l’endroit d’où ils proviennent. Si l’observation des neutrinos permet ainsi de jeter un nouveau regard sur notre univers, leur faible interaction avec la matière les rend cependant extrêmement difficiles à observer et leur détection requiert de fait des dispositifs d’une surface gigantesque.

Nous recherchons les neutrinos les plus énergétiques de l’univers”, a déclaré Vieregg, professeur agrégé en le Département de Physique. “Ils sont fabriqués dans les endroits les plus énergétiques et les plus extrêmes du cosmos, et ces neutrinos offrent un aperçu unique de ces endroits. En trouver un ou plusieurs pourrait nous permettre d’apprendre des choses complètement nouvelles sur l’univers”. La collaboration internationale de 12 institutions construira un détecteur radio attaché à un ballon à haute altitude, qui sera lancé par la NASA et voyagera au-dessus de l’Antarctique à 120 000 pieds, à la recherche de signaux de neutrinos. Le projet révolutionnaire s’appelle PUEO, abréviation de Payload for Ultrahigh Energy Observations. (Il partage son nom avec le seul hibou vivant originaire d’Hawaï, où l’expérience précédente de PUEO est née).

Modélisation de PUEO une fois déployé. Chaque parabole blanche est une antenne radio; les signaux de chaque antenne sont combinés afin de capter les signaux des neutrinos de haute énergie traversant les glaces de l’Antarctique. © Christian Miki, Université d’Hawaï.

“Une belle façon de regarder l’univers”

Les neutrinos sont souvent appelés particules « fantômes » car ils interagissent très rarement avec la matière. Des milliers de milliards traversent votre corps sans danger à chaque seconde. Parce qu’ils peuvent parcourir de grandes distances sans être déformés ou détournés, les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers, y compris les collisions cosmiques, les galaxies et les trous noirs où ils sont créés. “Les neutrinos sont une belle façon de regarder l’univers, car ils voyagent sans entrave à travers l’espace”, a déclaré Vieregg. “Ils peuvent venir de très loin, et ils ne sont pas brouillés en cours de route, alors ils indiquent d’où ils viennent”.

Les scientifiques ont détecté quelques neutrinos de ce type provenant de l’espace extra-atmosphérique entrant dans l’atmosphère terrestre. Mais ils pensent qu’il y a encore plus de neutrinos qui transportent des énergies extraordinairement élevées – plusieurs ordres de grandeur plus élevés que même les particules accélérées au Grand collisionneur de hadrons en Europe – et qui n’ont encore jamais été détectés. Ces neutrinos pourraient nous renseigner sur les événements les plus extrêmes de l’univers. Autrement dit, si vous pouvez les attraper.

Ces neutrinos interagissent si rarement avec d’autres formes de matière que Vieregg devrait construire un énorme détecteur de la taille d’un pays pour les capter. Ou elle peut en utiliser une qui existe déjà : la couche de glace au sommet de l’Antarctique. “La calotte glaciaire est parfaite – un bloc homogène, dense et radiotransparent qui s’étend sur des millions de kilomètres carrés”, a déclaré Vieregg. “C’est presque comme si nous l’avions conçu”. Si l’un de ces neutrinos hautement énergétiques traverse la Terre, il y a une chance qu’il heurte l’un des atomes à l’intérieur de la calotte glaciaire de l’Antarctique. Cette collision produit des ondes radio qui traversent la glace. Ce signal radio est ce que PUEO détecterait alors qu’il flotte au-dessus de l’Antarctique. Pour ce faire, il a besoin d’un équipement très, très spécial.

La prochaine génération

PUEO est la prochaine génération d’une mission appelée ANITA, basée à l’Université d’Hawaï, qui a survolé l’Antarctique à bord de ballons de la NASA à quatre reprises entre 2006 et 2016 pour rechercher des neutrinos similaires. PUEO disposera cependant d’un détecteur beaucoup plus puissant. Le nouveau détecteur exploite la puissance d’une vieille astuce d’astronomie, une technique appelée interférométrie, qui combine les signaux de plusieurs télescopes. PUEO est parsemé d’antennes radio, et un système central d’acquisition de données fusionnera et analysera ces signaux pour créer un signal plus fort. Un signal plus fort serait un bond en avant significatif, car cela aiderait les scientifiques à repérer les signaux importants du bruit provenant de toutes les directions. “Il y a des téraoctets de données qui entrent dans le détecteur chaque minute, et nous nous attendons à ce que quelques événements au plus sur des milliards soient un neutrino”, a déclaré Cosmin Deaconu, chercheur à Université de Chicago qui travaille sur le logiciel de PUEO. “Vous ne pouvez pas écrire toutes ces données sur le disque, nous devons donc concevoir un programme pour décider très rapidement quels signaux conserver et lesquels supprimer”.

De nombreux signaux courants ressemblent à des neutrinos, mais n’en sont pas. Ceux-ci peuvent aller des transmissions par satellite à quelqu’un qui allume un allume-cigare. “Au moins en Antarctique, il n’y a que quelques endroits où les humains les généreraient, il est donc plus facile de les exclure”, a déclaré Deaconu. “Mais nous devons même tenir compte de choses comme l’électricité statique, générée par le vent”. Vieregg et l’équipe ont testé l’idée du réseau phasé interférométrique au sol dans deux expériences : l’une appelée ARA au pôle Sud en 2018, et une autre appelée RNO-G au Groenland à l’été 2021. Les deux ont montré un saut significatif dans les performances par rapport aux conceptions précédentes, ce qui rend le détecteur aérien de PUEO d’autant plus prometteur. “PUEO aura une sensibilité 10 fois meilleure que tous les vols précédents d’ANITA combinés”, a déclaré Vieregg.

Au cours des prochains mois, l’équipe construira des prototypes pour PUEO et finalisera la conception. Une fois la mise en page finale, de petites équipes d’institutions à travers le pays construiront des parties de l’instrument, qui seront ensuite assemblées et testées à UChicago. “Par exemple, nous voulons nous assurer qu’il peut gérer le vide de l’espace proche”, a déclaré Eric Oberla, chercheur à UChicago qui construit le matériel de PUEO. “Il est plus difficile de dissiper la chaleur lorsqu’il n’y a pas d’air pour l’éloigner, ce qui peut être un problème pour l’électronique, nous allons donc effectuer des tests dans une chambre à vide ici sur le campus et plus tard dans une grande chambre de la NASA pendant la campagne d’intégration des instruments”.

De là, PUEO sera expédié vers une installation de la NASA en Palestine, au Texas, pour des tests finaux avant d’être envoyé à la station de lancement en Antarctique. Selon les conditions météorologiques, le détecteur pourrait voler pendant un mois ou plus, collectant des données et les transmettant au sol, où les scientifiques passeront au peigne fin pour trouver des preuves de la toute première détection de neutrinos à haute énergie. “Nous sommes ravis d’avoir la mission de ballon stratosphérique PUEO incluse dans le groupe inaugural des missions Pioneers, et nous attendons avec impatience la grande science qu’elle restituera”, a déclaré Michael Garcia, responsable au siège de la NASA à Washington, DC pour les pionniers en astrophysique. Programme, qui finance l’expérience. Le programme Pioneers a permis aux scientifiques de “rêver grand”, a déclaré Vieregg. “Nous pourrions dire: “Si nous pouvions construire tout ce que nous voulions, que pourrions-nous faire?”. “C’est une expérience de découverte, ce qui signifie que rien n’est garanti”, a-t-elle ajouté. “Mais toutes les indications disent qu’il y a quelque chose à découvrir, et même quelques neutrinos seraient une découverte scientifique étonnante”.

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Abarr, Q., Allison, P., Ammerman Yebra, J., Alvarez-Muñiz, J., Beatty, J. J., Besson, D. Z., Chen, P., Chen, Y., Xie, C., Clem, J. M., Connolly, A., Cremonesi, L., Deaconu, C., Flaherty, J., Frikken, D., Gorham, P. W., Hast, C., Hornhuber, C., Huang, J. J., … Zeolla, A. (2021). The Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO): A white paper. Journal of Instrumentation, 16(8), [P08035]. DOI: 10.1088/1748-0221/16/08/P08035

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