Pour trouver les particules «fantômes» les plus énergétiques de l’univers, un nouveau détecteur survolera l’Antarctique

Nasa Il donne le feu vert à un essai de ballon multi-institutions de 20 millions de dollars dirigé par des scientifiques de l’Université de Chicago.

Parfois, la question est si grande qu’il faut un continent pour y répondre.

Université de Chicago La physicienne Abby Verig dirige une expérience internationale qui utilise principalement la glace en Antarctique comme détecteur géant pour trouver des particules hautement énergétiques de l’espace. La NASA a récemment approuvé le projet de 20 millions de dollars pour construire un instrument pour survoler le pôle Sud dans un ballon, et il sera lancé en décembre 2024.

« Nous recherchons les niveaux d’énergie les plus élevés de l’univers », a déclaré Vieregg, professeur agrégé au département de physique. « Ils sont fabriqués dans les endroits les plus énergétiques et extrêmes de l’univers, et ces neutrinos offrent un aperçu unique de ces endroits. Trouver un ou plusieurs d’entre eux pourrait nous permettre d’apprendre des choses entièrement nouvelles sur l’univers. « 

Le nouveau projet approuvé par la NASA partage son nom avec pueo (ASIO Flamos), le seul hibou vivant qui vit à Hawaï.

Une collaboration internationale de 12 institutions construira un détecteur sans fil 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 pilote s’appelle PUEO, pour Payload for Ultrahigh Energy Observations. (Il partage son nom avec le seul hibou vivant qui vit à Hawaï, où est née la précédente expérience PUEO.)

Belle façon de regarder l’univers

Les neutrinos sont souvent appelés particules « fantômes » car ils interagissent rarement avec la matière. Des milliards de corps passent indemnes chaque seconde.

Parce qu’ils peuvent parcourir de longues distances sans distorsion ni déviation, les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers, y compris les collisions cosmiques et les galaxies et les trous noirs où ils sont créés.

« Les neutrinos sont un excellent moyen de regarder l’univers, car ils voyagent sans entrave dans l’espace », a déclaré Verig. « Ils peuvent venir de très loin, et ils ne se précipitent pas tout du long, alors ils indiquent d’où ils viennent. »

Les scientifiques ont détecté un certain nombre de ces neutrinos provenant de l’espace extra-atmosphérique dans l’atmosphère terrestre. Mais ils pensent qu’il y a plus de neutrinos porteurs d’énergies inhabituellement élevées – plusieurs fois plus élevées même que les particules accélérées au Grand collisionneur de hadrons d’Europe – et ils doivent encore être découverts. Ces neutrinos peuvent nous renseigner sur les événements les plus extrêmes de l’univers.

C’est, si Vous pouvez les attraper.

Ces neutrinos interagissent rarement avec d’autres formes de matière, de sorte que Verge a dû construire un détecteur massif de la taille d’un état pour les capturer. Ou il pourrait en utiliser une qui existe déjà : la calotte glaciaire au-dessus de l’Antarctique.

« La calotte glaciaire est parfaite – une masse translucide homogène, dense et radioactive qui s’étend sur des millions de kilomètres carrés », a déclaré Ferrig. « C’est comme si nous l’avions conçu. »

Les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers.

Si l’un de ces neutrinos à haute énergie atteint la Terre, il y a une chance qu’il entre en collision avec 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 détectera lorsqu’il flottera 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 le pôle Sud à bord de ballons de la NASA à quatre reprises entre 2006 et 2016 pour rechercher des neutrinos similaires. Cependant, PUEO aura un détecteur 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. Le PUEO est parsemé d’antennes radio partout, et un système central d’acquisition de données combinera et analysera ces signaux pour produire un signal plus fort.

PUEO sera lancé depuis l’Antarctique, tout comme la précédente expérience ANITA en 2016 (ci-dessus). De gauche à droite : les scientifiques Cosmin DeCono, Eric Oberla et Andrew Ludwig, Ph.D. 19. Crédit : UChicago

Un signal plus fort serait un énorme pas en avant, car il aiderait les scientifiques à distinguer les signaux importants du bruit émis dans toutes les directions. « Des téraoctets de données entrent dans le détecteur chaque minute, et nous nous attendons à ce qu’au plus quelques événements sur des milliards soient des neutrinos », a déclaré Cosmin Deaconu, chercheur à UChicago travaillant sur le programme PUEO. « Vous ne pouvez pas écrire toutes ces données sur le disque, nous devons donc concevoir un logiciel pour décider très rapidement quels signaux conserver et lesquels se débarrasser. »

De nombreux signes courants un regard Comme les neutrinos, mais ils ne le sont pas. Celles-ci peuvent aller de la transmission par satellite à une personne déplaçant un briquet. « Au moins en Antarctique, il n’y a que quelques sites où des humains peuvent naître, il est donc plus facile de l’exclure », a déclaré Decono. « Mais nous devons même tenir compte de choses comme l’électricité statique générée par le vent. »

Vieregg et l’équipe ont testé l’idée d’un système d’interférométrie pas à pas sur Terre dans deux expériences : l’une appelée ARA en Antarctique en 2018, et une autre appelée RNO-G au Groenland à l’été 2021. Les deux ont montré un bond de performance significatif par rapport aux précédentes. conceptions — rendant le détecteur atmosphérique PUEO plus prometteur. « PUEO aura un facteur de sensibilité 10 meilleur que tous les vols ANITA précédents combinés », a déclaré Ferrig.

« Trouver un ou plusieurs de ces neutrinos pourrait nous permettre d’apprendre des choses entièrement nouvelles sur l’univers. »

– assistant. Professeur Abby Ferig

Dans les mois à venir, l’équipe construira des prototypes pour PUEO et finalisera la conception. Une fois la conception finale, de petites équipes dans des institutions à travers le pays construiront des parties de l’outil, 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 les dispositifs PUEO. « Il est difficile de dissiper la chaleur lorsqu’il n’y a pas d’air pour l’empêcher d’entrer, ce qui peut être un problème pour l’électronique, nous allons donc effectuer des tests dans une salle à vide ici sur le campus, puis dans une grande salle de la NASA pendant la campagne d’intégration matérielle . »

De là, le PUEO sera expédié aux installations 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 renvoyant sur Terre, où les scientifiques les passeront au peigne fin pour prouver la toute première détection de neutrinos à haute énergie.

« Nous sommes ravis que la mission de ballon stratosphérique de PUEO ait été incluse dans le groupe inaugural de missions d’astronautes, et nous attendons avec impatience la grande science qu’elle reviendra », a déclaré Michael Garcia, président/siège de la NASA pour le programme des pionniers en astrophysique. financer l’expérimentation.

Ferrig a déclaré que le programme des pionniers permettait aux scientifiques de « rêver grand ». « Nous pouvons dire : « Si nous pouvons construire tout ce que nous voulons, que pouvons-nous faire ? « 

« C’est une expérience de découverte, ce qui veut dire que rien n’est garanti », a-t-elle ajouté. « Mais tout indique qu’il y a quelque chose à attraper – et même quelques neutrinos seraient une découverte scientifique incroyable. »