Des formations de glace étranges ont peut-être incité les physiciens à voir des particules mystérieuses qui n'étaient pas là

Et si l'une des découvertes les plus étranges et les plus troublantes de la physique des particules se révélait être une illusion?

Depuis mars 2016, deux signaux mystérieux de l'Antarctique ont déconcerté les chercheurs. Deux fois maintenant, une particule à haute énergie a semblé éclater tout droit hors de la glace, déclenchant des détecteurs sur une expérience transportée par ballon flottant au-dessus. C'est comme si les particules avaient traversé la Terre entière indemnes. Mais cela devrait être pratiquement impossible: aucune des particules connues, qui sont décrites collectivement dans un modèle physique connu sous le nom de modèle standard, ne peut faire ce voyage à des niveaux d'énergie élevés..

Les particules qui sont par ailleurs identiques peuvent transporter différentes charges d'énergie, et la quantité d'énergie qu'une particule transporte peut modifier son comportement. Des neutrinos fantomatiques à faible énergie peuvent passer à travers toute la croûte terrestre, la roche fondue et le fer sans être dérangés. Mais ils ne sont pas assez puissants pour créer les signaux trouvés en Antarctique. Les neutrinos à haute énergie sont suffisamment puissants pour créer les signaux. Mais comme ces neutrinos à plus haute énergie ont des «sections efficaces» plus grandes - ils ont un impact sur une plus grande région de l'espace environnant - ils ont tendance à percuter les choses plutôt que de les traverser. C'est la différence entre lancer une bille à travers un filet de pêche et essayer de tirer un ballon de plage à travers les mêmes espaces. Aucun neutrino de haute énergie connu ne devrait pouvoir traverser la Terre entière et émerger de la glace antarctique.

En relation: Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique

Les physiciens ont qualifié les deux détections d '«anomalie ANITA», d'après l'antenne antarctique impulsive transitoire de la NASA (ANITA), le détecteur aéroporté qui a capté les signaux. Ils ont comparé les découvertes de l'ANITA aux résultats d'IceCube - un observatoire de neutrinos beaucoup plus grand en Antarctique - et ont trouvé plus de soutien à l'idée qu'ils avaient trouvé quelque chose que personne n'avait vu auparavant. Et ils ont pris au sérieux l'idée que l'ANITA aurait pu tomber sur quelque chose au-delà du modèle standard.

Maintenant, dans un nouvel article publié le 24 avril dans la revue Annals of Glaciology, une équipe conjointe de physiciens et de glaciologues affirment que l'anomalie ANITA n'est probablement pas une preuve d'une nouvelle physique. Au lieu de cela, cela peut simplement être un tour de la glace. Des structures complexes et cachées dans l'étendue blanche pourraient avoir réfléchi les ondes radio de manière inattendue, trompant les récepteurs radio de l'ANITA en enregistrant la particule comme si elle venait de l'intérieur de la Terre..

Comment l'anomalie a fonctionné

ANITA n'a jamais été conçu pour chasser de nouvelles particules.

«C'est une expérience vraiment, vraiment simple dans un sens», a déclaré Ian Shoemaker, physicien à Virginia Tech et auteur principal du nouvel article. "Tout ce qu'ils ont, c'est un gros ballon, et attaché au fond de celui-ci est un tas de récepteurs radio. Et tout ce qu'ils détectent à partir de n'importe quel événement est un signal radio."

Mais les signaux radio peuvent contenir beaucoup d'informations sur les particules dans la plage de haute énergie extrême.

Quand ANITA a été construit, il a été conçu pour chasser une sorte d'événement exotique prédit par le modèle standard. Les neutrinos tau à haute énergie - l'une des trois saveurs de neutrinos avec les neutrinos électroniques et muoniques - sont parmi les particules les plus insaisissables du modèle standard. Ces neutrinos devraient frapper la Terre assez souvent depuis l'espace lointain. Mais ils sont difficiles à détecter.

En relation: 5 particules insaisissables qui pourraient se cacher dans l'univers

Lorsque les neutrinos tau frappent quelque chose et se désintègrent, ils produisent un autre type de particule appelé tau. L'espoir était qu'en Antarctique, les neutrinos tau frapperaient parfois la Terre à des angles suffisamment peu profonds pour se désintégrer dans la glace, produisant une particule tau et un signal radio caractéristique et détectable du passage du tau à travers la glace. Ce signal radio a une forme d'onde prévisible: un gros pic, un grand creux, un pic plus petit et un creux plus petit - une forme principalement déterminée par le champ magnétique terrestre. Et il frapperait ANITA par le bas et sur le côté, preuve de l'angle de regard avec lequel il frappait la planète.

ANITA a détecté une poignée d'événements comme celui-là, ainsi que des signaux de rayons cosmiques descendant directement en Antarctique depuis l'espace lointain. Lorsque cela se produit, une particule sous tension - peut-être un proton - frappe l'atmosphère au-dessus de l'Antarctique, éclate en une pluie de particules chargées plus petites et produit un sursaut radio qui se reflète sur la glace avant de frapper ANITA. Encore une fois, ces événements produisent la même forme d'onde que les neutrinos tau. La forme est largement déterminée par le champ magnétique de la Terre et ne porte que de faibles indices des particules elles-mêmes, a déclaré Shoemaker. .

Mais ANITA peut distinguer un neutrino tau d'un rayon cosmique de base: lorsque les ondes radio frappent la glace et rebondissent sur ANITA, leurs formes changent. Ainsi, au lieu de voir HAUT-BAS-haut-bas d'un tau jeter un coup d'œil à travers la glace, ANITA voit le reflet DOWN-UP-down-up d'un rayon cosmique. Et ces signaux de rayons cosmiques peuvent frapper ANITA de n'importe quelle direction lorsqu'ils rebondissent sur la glace.

Les deux anomalies ANITA ne rentrent dans aucune des deux catégories. Dans chaque cas, l'ANITA a détecté la forme d'onde non miroir qui suggérerait un neutrino tau, UP-DOWN-up-down. Mais la vague a frappé ANITA à un angle si net que pour être arrivée sans rebondir, elle aurait dû traverser un morceau de Terre incroyablement épais..

C'était un signal auquel les concepteurs d'ANITA ne s'attendaient pas lorsqu'ils ont construit le détecteur, et il a laissé entendre la possibilité de nouvelles particules inconnues éclater de l'Antarctique..

Anomalie ou illusion?

Après des années d'études, les physiciens se sont retrouvés sans explication facile des anomalies, a déclaré Derek Fox, un expert en neutrinos à la Pennsylvania State University. Fox, membre de la collaboration IceCube, n'a pas participé à l'expérience ANITA ni au nouveau papier.

Les physiciens avaient proposé des explications inhabituelles qui ne briseraient pas le modèle standard. Un phénomène connu sous le nom de «rayonnement de transition cohérent» aurait pu perturber les ondes radio provenant d'une douche de rayons cosmiques, ont suggéré deux théoriciens en mars 2019. Ou peut-être que les signaux provenaient d'effets de matière noire dans un univers miroir, un article de mars 2018 proposé.

En relation: 5 raisons pour lesquelles nous pouvons vivre dans un multivers

Mais à part ces explications plus hallucinantes, Fox a déclaré: "Les anomalies atmosphériques ou glaciaires sont à peu près ce qu'il vous reste" avant qu'une nouvelle particule ne devienne la seule explication.

(Il est également possible qu'un problème instrumental avec ANITA ait produit le signal qu'il a dit, mais cela est douteux compte tenu de l'habileté technique de l'équipe ANITA.)

Pourtant, a déclaré Fox, personne n'avait encore offert d'explication convaincante sur la façon dont les effets de l'air ou de la glace pouvaient produire les anomalies ANITA. C'était avant l'arrivée de l'équipe de Shoemaker, avec sa combinaison inhabituelle de physiciens des particules, d'experts en radio et de glaciologues..

Les auteurs de la nouvelle étude ont avancé un argument simple: lorsque les ondes radio traversant l'air rebondissent sur un objet dense, comme la couche supérieure de glace, leurs formes d'ondes changent de la manière attendue par ANITA. Mais il existe d'autres types de réflexions qui pourraient tromper les capteurs d'ANITA.

Lorsqu'une onde traversant une substance à haute densité (comme la roche) frappe une substance de faible densité (comme l'eau), une partie de l'énergie de la vague se réfléchit. Mais cette réflexion est différente de celle qui se produit lorsqu'une onde passe d'un environnement à faible densité (comme l'air) à un objet à haute densité (comme la glace).

En descendant du ciel antarctique vers le centre de la Terre, comme la pluie d'un rayon cosmique, vous rencontrerez principalement un environnement plus dense après l'autre. L'air devient de plus en plus épais. Ensuite, vous frappez la glace. Ensuite, vous frappez le rock. Ensuite, vous vous retrouvez dans le centre chaud et dense de la planète. À chacune de ces transitions, une vague rebondissante ressemblerait à ce que l'ANITA attend.

Mais il y a des caractéristiques de la glace qui ne correspondent pas à ce modèle, ont souligné Shoemaker et ses collègues. Les crevasses couvertes de neige, les régions de cristal stressé appelées "couches de tissu de glace" et les lacs d'eau liquide enfouis sous la surface gelée peuvent tous refléter le signal radio d'un rayon cosmique sans le refléter.

Mais les lacs sous-glaciaires et les crevasses couvertes de neige ne sont pas assez courants pour être des explications probables de l'événement ANITA, ont découvert les chercheurs. Les tissus de glace et une autre caractéristique de glace de faible densité connue sous le nom de «croûtes de vent» pourraient expliquer les anomalies, ont-ils déclaré. Mais les glaciologues n'ont pas une bonne idée de leur fréquence dans la région. Cependant, deux caractéristiques ressortent comme des explications probables, ont écrit Shoemaker et son équipe.

Le premier est le sapin, un type d'eau gelée qui n'est pas aussi molle et meuble que la neige fraîche, mais qui n'a pas encore été compressée en un seul bloc de glace. Les couches de sapin fondent, se déplacent et se recongèlent encore et encore, produisant des couches de haute et basse densité. Personne n'a cherché de sapin dans les régions lorsque l'ANITA a repéré les anomalies, mais il est répandu en Antarctique et peut réfléchir les ondes radio sans les refléter..

L'autre possibilité est le givre. Des couches de neige épaisse et de glace cachent parfois des couches de glace plus faibles et friables dont la densité est inférieure à celle de la glace au-dessus. Les alpinistes connaissent et craignent cette glace, selon Ulyana Horodyskyj, glaciologue au Colorado College qui n'a pas participé à l'ANITA ou à l'article de Shoemaker. Lorsque de faibles couches de givre glissent sur les flancs des montagnes, la glace au-dessus peut s'effondrer à la hâte - un événement connu sous le nom d'avalanche. Encore une fois, il n'y a pas encore de preuve directe de ce type de double couche dans la zone ANITA. Mais le givre est répandu en Antarctique, et pourrait expliquer une réflexion inhabituelle.

En relation: Antarctique: le fond du monde recouvert de glace en photos

Rien de tout cela n'est la preuve que l'équipe ANITA a confondu une glace étrange pour une particule montante, ont écrit les auteurs. Mais cela montre que l'ANITA seule ne peut probablement pas distinguer les deux aussi bien que les physiciens le pensaient.

"Les futures expériences ne devraient pas utiliser l'inversion de phase [le passage de la forme d'onde de HAUT-BAS-haut-bas à BAS-HAUT-bas-haut] comme seul critère pour faire la distinction entre les événements descendants et ascendants, à moins que les propriétés de réflexion souterraines sont bien compris », ont écrit les auteurs.

En d'autres termes, l'Antarctique est trop compliqué à traiter comme un simple miroir sans une étude approfondie. Les cristaux enfouis sous la surface peuvent jouer des tours. Et ces astuces pourraient expliquer l'anomalie.

"La glace est de la glace - jusqu'à ce que ce ne soit pas le cas, non?" Horodyskyj a dit .

Les glaciologues utilisent les ondes radio pour étudier la glace tout le temps, a-t-elle déclaré. Un radar pénétrant peut révéler des caractéristiques qui ne sont pas visibles à la surface. Mais ces signaux sont souvent désordonnés et les interpréter peut être plus un art qu'une science.

"Vous avez toutes ces différentes couches de densités qui pourraient lancer tout le signal", a déclaré Horodyskyj. "Si vous avez du métal, des débris, des roches, de l'eau et de la glace, ils sont vraiment faciles à distinguer. Ils ont tous leur propre signal ou empreinte digitale. Mais une fois que vous entrez dans ces détails de la glace, il est vraiment fascinant de voir à quel point même la douceur de la glace change le signal. "

Il n'est pas surprenant, a-t-elle dit, que ces subtiles caractéristiques de la glace puissent créer une illusion de nouvelle physique.

Questions ouvertes

Les physiciens ont besoin d'en voir plus avant d'être convaincus d'une manière ou d'une autre.

"C'est une explication possible", a déclaré Peter Gorham, physicien à l'Université d'Hawaï à Mānoa et leader de la collaboration ANITA, "mais à mon avis tout à fait improbable."

L'implication la plus déconcertante de l'article de Shoemaker, a déclaré Fox, est que quelle que soit la caractéristique de la glace qui a pu créer l'anomalie, le signal reflète parfaitement..

Dans des circonstances normales, une vague rebondissant sur quelque chose ne rebondit pas proprement, qu'elle soit reflétée ou non. Différentes longueurs d'onde sont généralement reflétées de différentes manières, a déclaré Fox, laissant des traces de ce que les physiciens appellent le «traitement».

"Le fait est que j'ai regardé la vague moi-même", a déclaré Fox, "et je n'ai rien vu qui me ressemblait à du traitement."

Si quelque chose a renvoyé la vague à ANITA, il l'a fait sans laisser de traces détectables.

"Le signal est très propre, tout à fait conforme aux autres rayons cosmiques normaux que nous avons observés. Il n'y a aucune preuve dans les données de perturbations significatives du signal en dehors d'une réflexion normale", a déclaré Gorham .

Le papier Shoemaker offre une explication à cela; avec la bonne structure de densité, un réflecteur peut être suffisamment uniforme sur différentes longueurs d'onde pour traiter un signal propre. Ce serait comme avoir un miroir super propre.

Dans ce modèle de miroir propre, il y aurait en fait eu deux sursauts radio pour chaque anomalie ANITA. L'une, la réflexion «primaire», aurait été inversée comme l'attend ANITA. Mais si la surface était correctement inclinée, elle rebondirait loin des capteurs d'ANITA. Seule la deuxième rafale, cet écho propre et non reflété aurait frappé les récepteurs d'ANITA.

"Bien que possible, cela semble nécessiter une coïncidence qui est très difficile à évaluer: une couche souterraine avec juste les bonnes propriétés, combinée avec une pente de surface également avec les bonnes propriétés", a déclaré Gorham.

Shoemaker a déclaré que lorsqu'il a commencé à étudier l'anomalie ANITA, il espérait trouver des preuves d'une nouvelle physique; il n'a pas cherché à démystifier la découverte.

À ce stade, cependant, il a dit: "Si quelqu'un me demandait" Est-ce une sorte de nouveau neutrino ou axion stérile ou quelque chose [au-delà des particules du modèle standard], ou est-ce de la glace? " Je devrais dire: «C'est de la glace». Les inversions de densité de Firn sont des choses dont nous savons qu'elles existent, sans nécessiter de nouvelle physique. Donc, si je devais parier, c'est sur quoi je mettrais mon argent. "

En montrant rigoureusement à quel point ces types de caractéristiques sont répandues dans la région ANITA, l'équipe de Shoemaker a fait valoir avec force qu'une sorte de réflexion inhabituelle aurait pu causer l'anomalie ANITA, a déclaré Fox. Mais ce n'est pas encore un coup de poing pour la nouvelle physique. Pour confirmer ou réfuter l'article Shoemaker, vous auriez besoin de preuves directes pour ce genre de réflexion inhabituelle qui se passe en Antarctique.

Jusqu'à présent, a déclaré Gorham, les preuves sont en faveur de rien d'étrange dans la glace.

"Le groupe ANITA a réalisé de nombreuses études sur la glace antarctique et a publié plusieurs articles également dans la littérature glaciologique, remontant à une décennie ou plus", a-t-il déclaré. "Nous avons étudié en détail via l'altimétrie satellitaire et les cartes radar la localisation de ces événements, et pour celui-ci en particulier, il ne semble y avoir rien d'inhabituel."

Il a ajouté que la collaboration ANITA a des résultats préliminaires d'une étude non encore publiée qui semble contredire ce que Shoemaker et ses co-auteurs ont proposé..

Le journal Shoemaker a suggéré d'envoyer une équipe sur les sites des anomalies et de faire rebondir les ondes radio sur la glace pour voir ce qui se passerait..

Horodyskyj était d'accord avec cette approche.

«Ce dont vous avez besoin, c'est de la vérité sur le terrain», dit-elle.

Cette partie de l'Antarctique est exceptionnellement désolée, même pour ce continent vide, a-t-elle déclaré. En parcourant la littérature sur la glaciologie, dit-elle, elle a trouvé peu de données directes sur la composition de la glace dans la région où l'ANITA a repéré les anomalies. Peu de carottes de glace ou d'autres études sur le terrain offrent une image suffisamment claire de la glace souterraine.

"Vous auriez à comprendre: quelle est l'empreinte de l'expérience de l'air qu'ils ont faite?" dit-elle, se référant à la zone de glace d'où la particule montante semblait provenir. «Si c'est 100 mètres sur 100, vous voudriez faire exactement la même chose sur le terrain: 100 mètres sur 100, quadrillé, mettre des marqueurs et les coins, et ensuite vous retirer le radar.»

Porter lentement un radar au sol, a-t-elle dit, offrirait suffisamment de détails pour vraiment comprendre la glace. Selon la logistique, vous pouvez le parcourir à pied dans le paysage, skier ou utiliser une motoneige.

La cartographie de la zone pièce par pièce pourrait révéler la profondeur des transitions entre le sapin et le glacier et d'autres détails qui ne seraient pas détectables de loin, a-t-elle déclaré..

«Dans la zone où ils travaillent, il fait assez sec, de sorte que le niveau de sapin peut s'étendre très profondément par rapport aux parties le long de la côte où il y a beaucoup plus de fonte», dit-elle. "Et puis l'autre chose que j'aimerais faire au milieu de cette grille serait [de] prendre une carotte de glace."

Un long tube de glace physique pourrait révéler à l'œil nu toutes les couches inattendues qui pourraient perturber les signaux radio, a-t-elle déclaré..

Tant que ces recherches supplémentaires ne seront pas effectuées, Horodyskyj et Fox en conviennent, il sera difficile de savoir avec certitude si l'explication de Shoemaker peut démystifier l'anomalie ANITA ou si ces nouvelles découvertes sont entièrement exclues..

• Qu'est-ce que c'est? Réponses à vos questions de physique
• Les 11 plus grandes questions sans réponse sur la matière noire
• Les 15 galaxies les plus étranges de notre univers

Publié à l'origine le .

OFFRE: Économisez 45% sur "Comment ça marche" Tout sur l'espace "et" Tout sur l'histoire "!

Pour une durée limitée, vous pouvez souscrire à un abonnement numérique à l'un de nos magazines scientifiques les plus vendus pour seulement 2,38 $ par mois, ou 45% de réduction sur le prix standard pendant les trois premiers mois.