Chaque seconde, quelque part dans l’univers observable, une étoile massive s’effondre déclenche une explosion de supernova. Selon les physiciens, l'observatoire Super-Kamiokande au Japon pourrait désormais détecter un flux constant de neutrinos provenant de ces catastrophes. collecter, ce qui pourrait représenter quelques découvertes par an.

Ce minuscules particules subatomiques sont essentiels pour comprendre ce qui se passe dans une supernova : lorsqu'ils jaillissent du noyau en effondrement de l'étoile et volent à travers l'espace, ils peuvent fournir des informations sur une physique potentiellement nouvelle qui pourrait se produire dans des conditions extrêmes.

Sur le dernier Neutrinos 2024 Lors d'une conférence à Milan, en Italie, Masayuki Harada, physicien à l'Université de Tokyo, a révélé que la première preuve de neutrinos de supernova semble provenir du chaos de particules que le détecteur Super Kamiokande collecte chaque jour à partir d'autres sources, telles que les rayons cosmiques frappant l'atmosphère et la fusion nucléaire dans le Soleil. Le résultat suggère que "nous avons commencé à observer un signal", explique Masayuki Nakahata, physicien à l'Université de Tokyo et porte-parole de l'expérience, communément appelée Super-K. Cependant, Nakahata prévient que les données à l’appui – collectées sur 956 jours d’observation – sont encore très faibles.

Particules volatiles

Les neutrinos sont extrêmement insaisissables. La plupart traversent la planète comme la lumière à travers le verre, et Super-K ne capte qu'une infime fraction de ceux qui la traversent. Néanmoins, le détecteur a de bonnes chances de détecter les neutrinos des supernovae, puisque l’univers devrait en être inondé. L'effondrement d'une étoile libère des quantités massives de ces particules (estimées à environ 10^58), que les astrophysiciens appellent le fond diffus des neutrinos de supernova.

Cependant, jusqu’à présent, personne n’a pu prouver cette origine. Les neutrinos n'ont été créés qu'une seule fois clairement remonté à une étoile qui s'effondre – Nakahata était l'un des chercheurs qui ont découvert les particules en 1987 à l'aide du détecteur Kamioka II, prédécesseur du Super-K. La découverte a été possible parce que la supernova s'est produite dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine suffisamment proche pour que les neutrinos de l'étoile qui explose atteignent la Terre en grand nombre.

En 2018-2020, le détecteur Super-K, un réservoir contenant 50 000 tonnes d’eau purifiée sous un kilomètre de roche près de Hida sur l’île centrale de Honshu, a subi une mise à niveau simple mais importante visant à accroître sa capacité à distinguer les neutrinos de supernova des autres particules.

Lorsqu'un neutrino - plus précisément son antiparticule, un antineutrino - entre en collision avec un proton dans l'eau, ce proton peut se transformer en une paire d'autres particules, un neutron et un antiélectron. L'antiélectron produit un éclair de lumière en se déplaçant à grande vitesse dans l'eau, et cette lumière est captée par les capteurs entourant les parois du réservoir. Cet éclair de lumière à lui seul pourrait être impossible à distinguer de la lumière produite par des neutrinos ou des antineutrinos provenant de diverses autres sources.

Lors de la mise à niveau, les scientifiques ont ajouté un sel à base de gadolinium à l'eau du Super-K. Cela permet au neutron produit lorsqu’un antineutrino impacte l’eau d’être capturé par le noyau de gadolinium, libérant une seconde séquence flash d’énergie caractéristique. Les physiciens Super-K à la recherche de neutrinos de supernova recherchent une série rapide de deux éclairs, l'un provenant de l'antiélectron et le second du neutron piégé.

Résolvez les mystères cosmiques

Nakahata dit qu'il faudra plusieurs années avant que de véritables signaux de supernova n'apparaissent clairement, car les signaux doubles flash peuvent également provenir d'autres sources de neutrinos, y compris ceux provoqués par les rayons cosmiques frappant l'atmosphère. Mais au moment où Super-K devrait fermer ses portes d'ici 2029, ajoute-t-il, il aurait dû collecter suffisamment de données pour formuler une affirmation solide.

UN expérience encore plus grande appelée Hyper-Kamiokande, qui devrait être achevé vers 2027, pourrait améliorer considérablement les résultats de Super-K. Initialement, Hyper-K sera rempli d'eau pure, mais "tous les composants du détecteur sont conçus pour être compatibles avec le gadolinium", qui pourrait être ajouté ultérieurement, explique Francesca Di Lodovico, physicienne au King's College de Londres et co-porte-parole du projet.

Montrer que les neutrinos provenant de supernovae lointaines survenues il y a des milliards d'années sont toujours présents confirmerait que les neutrinos sont des particules stables et ne se désintègrent pas en autre chose, explique Nakahata. C’est quelque chose que les physiciens soupçonnent depuis longtemps, mais n’ont pas encore pu le prouver.

Mesurer le spectre complet des énergies des neutrinos des supernovas pourrait également révéler combien de supernovae se sont produites à différentes périodes de l'histoire cosmique, explique Harada. De plus, cela pourrait révéler combien d’étoiles s’effondrent ont abouti à un trou noir – ce qui arrêterait l’émission de neutrinos – au lieu de laisser derrière elles une étoile à neutrons.

Les données de Super-K sont encore trop faibles pour prétendre être détectées, mais la possibilité de détecter les neutrinos diffus est "extrêmement excitante", déclare Ignacio Taboada, physicien au Georgia Institute of Technology à Atlanta et porte-parole de l'observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud. "Les neutrinos fourniraient une mesure indépendante de l'histoire de la formation des étoiles dans l'univers."