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Des messagers astronomiques ressemblant à des fantômes révèlent une nouvelle vision de la Voie lactée

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Des messagers astronomiques ressemblant à des fantômes révèlent une nouvelle vision de la Voie lactée

Composition d’artiste de la Voie lactée vue avec une lentille à neutrinos (bleue). Crédit : IceCube Collaboration / US National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson) / ESO (S. Brunier)

Pour la première fois, l’Observatoire de neutrinos IceCube a créé une image de[{ » attribute= » »>Milky Way using neutrinos—minuscule, elusive particles of the cosmos. This revolutionary data comes from an international collaboration of over 350 scientists and is backed by the National Science Foundation and fourteen additional countries. The groundbreaking observatory is located at the South Pole and employs over 5,000 light sensors to detect high-energy neutrinos that originate from both our galaxy and beyond.

Our Milky Way galaxy is an awe-inspiring feature of the night sky, viewable with the naked eye as a horizon-to-horizon hazy band of stars. Now, for the first time, the IceCube Neutrino Observatory has produced an image of the Milky Way using neutrinos—tiny, ghostlike astronomical messengers. In an article published on June 30 in the journal Science, the IceCube Collaboration, an international group of over 350 scientists, presents evidence of high-energy neutrino emission from the Milky Way.

The high-energy neutrinos, with energies millions to billions of times higher than those produced by the fusion reactions that power stars, were detected by the IceCube Neutrino Observatory, a gigaton detector operating at the Amundsen-Scott South Pole Station. It was built and is operated with National Science Foundation (NSF) funding and additional support from the fourteen countries that host institutional members of the IceCube Collaboration.

Milky Way in Neutrinos

The neutrino view (blue sky map) in front of an artist’s impression of the Milky Way. Credit: IceCube Collaboration/Science Communication Lab for CRC 1491

This one-of-a-kind detector encompasses a cubic kilometer of deep Antarctic ice instrumented with over 5,000 light sensors. IceCube searches for signs of high-energy neutrinos originating from our galaxy and beyond, out to the farthest reaches of the universe.

“What’s intriguing is that, unlike the case for light of any wavelength, in neutrinos, the universe outshines the nearby sources in our own galaxy,” says Francis Halzen, a professor of physics at the University of Wisconsin–Madison and principal investigator of IceCube.

“As is so often the case, significant breakthroughs in science are enabled by advances in technology,” says Denise Caldwell, director of NSF’s Physics Division. “The capabilities provided by the highly sensitive IceCube detector, coupled with new data analysis tools, have given us an entirely new view of our galaxy—one that had only been hinted at before. As these capabilities continue to be refined, we can look forward to watching this picture emerge with ever-increasing resolution, potentially revealing hidden features of our galaxy never before seen by humanity.”

IceCube Lab Under Starry Sky

A view of the IceCube Lab with a starry night sky showing the Milky Way and green auroras. Credit: Yuya Makino, IceCube/NSF

Interactions between cosmic rays–high-energy protons and heavier nuclei, also produced in our galaxy–and galactic gas and dust inevitably produce both gamma rays and neutrinos. Given the observation of gamma rays from the galactic plane, the Milky Way was expected to be a source of high-energy neutrinos.

“A neutrino counterpart has now been measured, thus confirming what we know about our galaxy and cosmic ray sources,” says Steve Sclafani, a physics PhD student at Drexel University, IceCube member, and co-lead analyzer.

The search focused on the southern sky, where the bulk of neutrino emission from the galactic plane is expected near the center of our galaxy. However, until now, the background of muons and neutrinos produced by cosmic-ray interactions with the Earth’s atmosphere posed significant challenges.

Francis Halzen

Francis Halzen, IceCube PI and professor at UW–Madison. Credit: EL PAIS/BERNARDO PÉREZ

To overcome them, IceCube collaborators at Drexel University developed analyses that select for “cascade” events, or neutrino interactions in the ice that result in roughly spherical showers of light. Because the deposited energy from cascade events starts within the instrumented volume, contamination of atmospheric muons and neutrinos is reduced. Ultimately, the higher purity of the cascade events gave a better sensitivity to astrophysical neutrinos from the southern sky.

However, the final breakthrough came from the implementation of machine learning methods, developed by IceCube collaborators at TU Dortmund University, which improve the identification of cascades produced by neutrinos as well as their direction and energy reconstruction. The observation of neutrinos from the Milky Way is a hallmark of the emerging critical value that machine learning provides in data analysis and event reconstruction in IceCube.

“The improved methods allowed us to retain over an order of magnitude more neutrino events with better angular reconstruction, resulting in an analysis that is three times more sensitive than the previous search,” says IceCube member, TU Dortmund physics PhD student, and co-lead analyzer Mirco Hünnefeld.

The dataset used in the study included 60,000 neutrinos spanning 10 years of IceCube data, 30 times as many events as the selection used in a previous analysis of the galactic plane using cascade events. These neutrinos were compared to previously published prediction maps of locations in the sky where the galaxy was expected to shine in neutrinos.

The maps included one made from extrapolating Fermi Large Area Telescope gamma-ray observations of the Milky Way and two alternative maps identified as KRA-gamma by the group of theorists who produced them.

“This long-awaited detection of cosmic ray-interactions in the galaxy is also a wonderful example of what can be achieved when modern methods of knowledge discovery in machine learning are consistently applied,” says Wolfgang Rhode, professor of physics at TU Dortmund University, IceCube member, and Hünnefeld’s advisor.

The power of machine learning offers great future potential, bringing other observations closer within reach.

“The strong evidence for the Milky Way as a source of high-energy neutrinos has survived rigorous tests by the collaboration,” says Ignacio Taboada, a professor of physics at the Georgia Institute of Technology and IceCube spokesperson. “Now the next step is to identify specific sources within the galaxy.”

These and other questions will be addressed in planned follow-up analyses by IceCube.

“Observing our own galaxy for the first time using particles instead of light is a huge step,” says Naoko Kurahashi Neilson, professor of physics at Drexel University, IceCube member, and Sclafani’s advisor. “As neutrino astronomy evolves, we will get a new lens with which to observe the universe.”

Reference: “Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane” by IceCube Collaboration, 29 June 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adc9818

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Ce ver effrayant a une vision exceptionnelle, et les scientifiques ne savent pas pourquoi : ScienceAlert

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Ce ver effrayant a une vision exceptionnelle, et les scientifiques ne savent pas pourquoi : ScienceAlert

Il existe des globes oculaires étranges dans le règne animal au sens large, mais il existe un type de ver marin qui déroute les scientifiques.

On les appelle vers polychètes et leurs yeux sont tout simplement énormes. Ensemble, les yeux pèsent 20 fois plus que le reste de la tête de l'animal. Pour l'humaincela représenterait environ 50 kg (110 lb) par œil.

Nous connaissons ces mirettes géantes depuis un certain temps ; Ce que les scientifiques voulaient savoir, c'était ce que les vers voyaient avec eux.

« Nous avons décidé de percer le mystère de la raison pour laquelle un ver transparent, presque invisible, qui se nourrit en pleine nuit, a évolué pour avoir des yeux énormes. » dit le biologiste marin Michael Bock De l'Université de Lund en Suède. « En tant que tel, le premier objectif était de déterminer si les grands yeux donnaient au ver une bonne vision. »

Leur travail impliquait une enquête détaillée sur l’observation de trois espèces de vers marins nocturnes de la mer Méditerranée : Candida turea, Vanadis Voir. FormoseEt Les naïades peuvent s'entraînerchacun comportant une paire géante de mirettes gonflées.

Les chercheurs ont mené des études optiques, morphologiques et électrophysiologiques des yeux de ces animaux de manière méticuleuse. Les résultats ont montré que la famille des vers polychètes Alciopidae appartient aux trois espèces La capacité de voir des objets petits ou éloignés Et suivez leur mouvement.

Un ensemble de trois yeux de ver. Vanadis Voir. Formose Situé en bas à gauche ; Candida turea En haut à droite ; Et Les naïades peuvent s'entraîner En bas à droite. (Bock et coll., la devise. Biol.2024)

Étant donné que seuls les vertébrés, les arthropodes et les céphalopodes étaient auparavant connus pour avoir une vision des objets, c'est vraiment extraordinaire. La plupart des autres vers polychètes ont Vision de base basse résolutionou Réception de lumière directionnelle Qui détecte uniquement la présence de lumière et la direction d'où elle provient.

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« C'est la première fois qu'une vision aussi avancée et détaillée est démontrée en dehors de ces groupes. » dit le neurobiologiste marin Anders Jarm De l'Université de Copenhague.

« En fait, nos recherches ont montré que le ver a une vision exceptionnelle. Sa vision est comparable à celle des souris ou des rats, bien qu'il s'agisse d'un organisme relativement simple avec un petit cerveau. »

On ne sait toujours pas pourquoi une créature active la nuit au fond de l’océan aurait besoin d’une acuité visuelle aussi fine. Il semble que ce soit effectivement le cas ; Même si le corps du ver est suffisamment transparent pour lui permettre de se cacher, ses yeux doivent rester suffisamment opaques pour absorber la lumière. Cela signifie que les yeux doivent conférer un bénéfice qui compense le risque d'être remarqué par les prédateurs de passage.

Nous ne savons pas avec certitude quel est cet avantage. Mais cherche Réalisé depuis près de 50 ans Présente une idée. En 1977, des scientifiques ont découvert que les yeux de ces vers sont les plus sensibles à la détection des longueurs d'onde ultraviolettes. Cela suggère que la vie marine nocturne a un secret que nous n’avons pas encore découvert.

« Nous avons une théorie selon laquelle les vers eux-mêmes sont bioluminescents et communiquent entre eux via la lumière. Si vous utilisez une lumière bleue ou verte ordinaire comme bioluminescence, vous risquez également d'attirer les prédateurs. Mais si le ver utilise plutôt la lumière ultraviolette, il restera invisible.  » « Pour les animaux autres que ceux de leur propre espèce, notre hypothèse est donc qu'ils ont développé une vision ultraviolette aiguë pour avoir un langage secret d'accouplement. » Garm explique.

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« Il se peut aussi qu’ils recherchent des proies dotées de la bioluminescence UV. Mais quoi qu’il en soit, cela rend les choses vraiment excitantes car la bioluminescence UV n’a jamais été observée chez aucun autre animal. Nous espérons donc pouvoir présenter cela comme la première. Découvrez un exemple.

La recherche a été publiée dans Biologie actuelle.

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Les terres englouties au large de l'Australie étaient un point chaud pour les aborigènes lors de la dernière période glaciaire, révèlent 4 000 objets en pierre.

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Les terres englouties au large de l'Australie étaient un point chaud pour les aborigènes lors de la dernière période glaciaire, révèlent 4 000 objets en pierre.

Une analyse de plus de 4 000 objets en pierre découverts sur une île au nord-ouest de l’Australie donne un aperçu de la vie aborigène il y a des dizaines de milliers d’années.

Il a déclaré que la découverte souligne les « liens de longue date » entre les peuples aborigènes et l'Australie contemporaine. David Zénaanthropologue à la California State University, Sacramento et auteur principal d'une nouvelle étude décrivant l'analyse.

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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

Les scientifiques ont découvert que les particules brouillent les informations quantiques à des vitesses similaires à celles des trous noirs, affectant les réactions chimiques et offrant des informations sur le contrôle des systèmes informatiques quantiques. Crédit : SciTechDaily.com

Des recherches menées par l'Université Rice et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent brouiller les informations quantiques aussi efficacement que les trous noirs, ce qui a des implications pour la physique et la physique chimique. Statistiques quantitatives.

Si vous deviez lancer un message dans une bouteille à… Le trou noir, toutes les informations qu'il contient, jusqu'au niveau quantique, seraient complètement brouillées. Parce que ce brouillage se produit dans les trous noirs avec la vitesse et la précision permises par la mécanique quantique, ils sont généralement considérés comme les meilleurs brouilleurs d'informations de la nature.

Cependant, de nouvelles recherches menées par Peter Wollens, théoricien de l'Université Rice, et ses collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent être aussi massives pour mélanger l'information quantique que les trous noirs. En combinant des outils mathématiques issus de la physique des trous noirs et de la physique chimique, ils ont montré que le brouillage de l'information quantique se produit dans les réactions chimiques et peut atteindre presque la même limite mécanique quantique que dans les trous noirs. L'ouvrage est publié en ligne sur Actes de l'Académie nationale des sciences.

Réactions chimiques et brouillage quantitatif

« Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, qui concerne la rapidité avec laquelle les informations quantiques sont mélangées dans les molécules », a déclaré Wollinis. « Quand les gens pensent à une réaction dans laquelle deux molécules se lient ensemble, ils pensent aux atomes effectuant un seul mouvement où une liaison se forme ou une liaison se rompt.

« Mais du point de vue de la mécanique quantique, même une très petite molécule est un système très complexe. Comme pour les orbites du système solaire, une molécule a un grand nombre de modes de mouvement possibles – ce que nous appelons des états quantiques. Quand une réaction chimique se produit, les informations quantiques sur les états quantiques deviennent. Les réactifs sont brouillés et nous voulons savoir comment les informations de brouillage affectent la vitesse de réaction.

Qinghao Zhang et Suhang Kundu

Qinghao Zhang (à gauche) et Suhang Kundu. Crédit : photo Zhang par Bill Wiegand/Université de l'Illinois Urbana-Champaign ; Photo de Kondo gracieuseté de Sohang Kondo

Pour mieux comprendre comment les informations quantiques sont mélangées dans les réactions chimiques, les scientifiques ont emprunté un outil mathématique couramment utilisé en physique des trous noirs, appelé corrélations hors du temps, ou OTOC.

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« Les OTOC ont en fait été inventés dans un contexte complètement différent il y a environ 55 ans, lorsqu'ils étaient utilisés pour étudier comment les électrons des supraconducteurs sont affectés par les perturbations causées par les impuretés », a déclaré Wollinis. « C'est un objet très spécialisé utilisé dans la théorie de la supraconductivité. Il a ensuite été utilisé par les physiciens dans les années 1990 lors de l'étude des trous noirs et de la théorie des cordes. « 

Les OTOC mesurent comment la modification d'une partie d'un système quantique à un moment donné affecte les mouvements des autres parties, ce qui donne un aperçu de la rapidité et de l'efficacité avec laquelle les informations se propagent dans la molécule. C'est la contrepartie quantitative des exposants de Lyapunov, qui mesurent l'imprévisibilité des systèmes chaotiques classiques.

« La rapidité avec laquelle l'OTOC augmente au fil du temps vous indique la rapidité avec laquelle les informations sont mélangées dans un système quantique, ce qui signifie combien d'états aléatoires sont accédés », a déclaré Martin Grubel, chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l'étude. projet de recherche. L'étude, qui fait partie du Centre commun Rice-Illinois pour l'adaptation des défauts en tant qu'avantages, a été financée par la National Science Foundation. « Les chimistes sont très opposés au sujet du brouillage dans les réactions chimiques, car le brouillage est nécessaire pour atteindre la cible de la réaction, mais il pervertit également votre contrôle sur la réaction.

« Comprendre les conditions dans lesquelles les molécules brouillent les informations, et les conditions dans lesquelles il est peu probable qu'elles le fassent, nous donne la possibilité de mieux contrôler les interactions. Connaître les OTOC nous permet essentiellement de fixer des limites au moment où ces informations disparaissent réellement hors de notre contrôle, et à l’inverse, c’est-à-dire quand nous pouvons encore l’exploiter pour obtenir des résultats contrôlés.

Peter Wollinis, Nancy MacRae et Martin Grubel

Peter Wollinis (de gauche à droite), Nancy Macri et Martin Groppelli. Crédit : photo Wolinis par Gustavo Raskoski/Université de Rice ; Photo de McCrary, gracieuseté de Nancy McCrary ; Photo Groppeli par Fred Zwicky/Université de l'Illinois Urbana-Champaign

En mécanique classique, une particule doit avoir suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière énergétique pour que la réaction se produise. Cependant, en mécanique quantique, il existe une possibilité que des particules puissent « passer » à travers cette barrière même si elles ne disposent pas de suffisamment d’énergie. Le calcul des OTOC a montré que les réactions chimiques avec une faible énergie d'activation à basse température, où l'effet tunnel domine, peuvent brouiller les informations presque à la limite quantique, comme un trou noir.

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Nancy Macri, également chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a utilisé les méthodes d'intégration de chemin qu'elle a développées pour étudier ce qui se passe lorsqu'un simple modèle de réaction chimique est intégré dans un système plus vaste, qui pourrait être les vibrations d'une grosse molécule ou d'un solvant. et tend à supprimer les mouvements chaotiques.

« Dans une étude distincte, nous avons constaté que les environnements plus grands ont tendance à rendre les choses plus irrégulières et à supprimer les effets dont nous parlons », a déclaré Macri. « Nous avons donc calculé l'OTOC d'un système de tunnel interagissant avec un vaste environnement, et ce que nous avons constaté, c'est que les bousculades étaient supprimées – un changement de comportement significatif. »

Applications pratiques et recherches futures

L’un des domaines d’application pratique des résultats de la recherche consiste à fixer des limites à la manière dont les systèmes de tunneling peuvent être utilisés pour créer des qubits pour les ordinateurs quantiques. Il faut réduire le mélange d’informations entre les systèmes de tunneling en interaction pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. La recherche pourrait également être pertinente pour les réactions dépendantes de la lumière et la conception de matériaux avancés.

« Il est possible d'étendre ces idées à des processus dans lesquels vous n'effectuerez pas seulement un effet tunnel dans une réaction donnée, mais où vous aurez plusieurs étapes d'effet tunnel, car c'est ce qui implique, par exemple, la conduction électronique dans de nombreux nouveaux matériaux mous,  » Groppeli a déclaré. « Les matériaux quantiques comme les pérovskites sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires et des choses comme ça. »

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Référence : « Quantum Information Scrambling and Chemical Reactions » par Zhenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Macri, Martin Groppeli et Peter J. Woolness, 1er avril 2024, Actes de l'Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2321668121

Wolinis est professeur de sciences à la Dr. Pollard Welsh Foundation à Rice, professeur de chimie, de biochimie, de biologie cellulaire, de physique, d'astronomie, de science des matériaux et de nano-ingénierie et codirecteur du Centre de biophysique théorique, financé par le National Science. Fondation. institution. Co-auteurs Gruebele est titulaire de la chaire James R. Eiszner en chimie. Macri est professeur Edward William et Jane Marr Gutgessel et professeur de chimie et de physique. Qinghao Zhang était étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et est maintenant étudiant postdoctoral au Pacific Northwest National Laboratory. Sohang Kundu a récemment obtenu son doctorat. Il a obtenu son doctorat en chimie de l'Université de l'Illinois et est actuellement étudiant postdoctoral à Université de Colombie.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) et la chaire Pollard Welch de Rice (C-0016).

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