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.
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 américaines1 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.
Modélisation de PUEO en vol. Chaque antenne blanche est une antenne radio. Crédits : Christian Miki, University of Hawaii
La calotte glaciaire de l’Antarctique constitue un ensemble homogène, dense et radio-transparent. Elle a ainsi la capacité de capter et retransmettre les ondes radios en faisant office de parabole de plusieurs millions de kilomètres carrés. Le projet PUEO repose sur ces propriétés et prévoit la construction d’un détecteur radio attaché à un ballon de haute altitude. Ce dernier survolera l’Antarctique dans la stratosphère à une altitude de 35 000 mètres. Dès lors qu’un neutrino se dirigera vers la Terre, il aura des chances de heurter un des atomes de la calotte glacière de l’Antarctique. Cette collision produira des ondes radio qui seront renvoyées par la glace et qui pourront être captées par le module PUEO situé en altitude.
Illustration du procédé. Crédits : Abby Vieregg, University of Chicago
PUEO s’inscrit dans la continuité de la mission ANITA dont le dispositif réalisa quatre survols de l’Antarctique entre 2006 et 2016. Le module reprend l’architecture globale d’ANITA tout en apportant des améliorations de conception et des instruments de nouvelle génération.
PUEO exploitera une technique commune en astronomie et qui n’était pas utilisée lors de la mission ANITA : l’interférométrie. Cette technique consiste à combiner plusieurs signaux provenant de différents télescopes afin d’obtenir un signal unique amplifié. Pour cela, le module est parsemé d’une multitude d’antennes radio et d’un système central d’acquisition qui fusionne les différents signaux et les analyse.
Un signal amplifié confère un avantage considérable pour aider les scientifiques à distinguer les signaux importants et éliminer le bruit de fond. Le dispositif captera des téraoctets de données chaque minute. Le défi consiste d’une part à conserver seulement les signaux d’intérêt car l’espace de stockage est limité et, d’autre part, à identifier les signaux provenant des neutrinos. Dans les faits, de nombreux signaux courants, tels que les transmissions satellites ou encore l’allumage d’un briquet, ressemblent à des neutrinos. Si la très faible présence humaine en Antarctique limite d’autant ces bruits parasites, l’environnement lui-même participe au bruit de fond, au travers par exemple de l’électricité statique générée par le vent. De ce fait, des ingénieurs de l’Université de Chicago ont développé un logiciel de filtrage des signaux.
Grace à l’utilisation de l’interférométrie combinée à des instruments plus nombreux et plus performants, les scientifiques estiment que PUEO aura une sensibilité dix fois supérieure à ANITA. Il permettra l’étude la plus sensible des neutrinos de très haute énergie jamais réalisée et sera capable de capter des neutrinos d’un ordre de grandeur inférieure à 30 exaélectronvolts (soit 3.1019 électronvolts).
Au cours des prochains mois, l’équipe construira des prototypes et finalisera la conception. La construction des différentes pièces et instruments fera intervenir les différentes institutions partenaires du programme. PUEO sera ensuite assemblé et testé à l’Université de Chicago dans une chambre à vide afin de simuler les conditions du proche espace dans lequel évoluera le module. De là, PUEO sera expédié vers une installation de la NASA à Palestine, au Texas, pour subir des tests finaux avant d’être envoyé vers son lieu de lancement en Antarctique.
En fonction des conditions météorologiques, le ballon stratosphérique pourrait voler pendant un mois ou plus. Les scientifiques espèrent capter des signaux de neutrinos d’ultra haute énergie et être en mesure d’identifier leur source d’émission. Ces données leur permettraient d’étendre les connaissances de l’univers.
1 : Liste des institutions partenaires du projet (en gras celles du Midwest) : University of Chicago, University of Kentucky, Ohio State University, Washington University in St.Louis, University of Hawaii, University of Delaware, PennState University, University College of London (UCL), Queen Mary University of London, Universidade de Santiago de Compostela et National Taiwan University.
Plus d’information :
Article rédigé par : Benjamin Doreilh, Attaché adjoint à la Science et la Technologie au Consulat général de France à Chicago; [email protected]
