Depuis des décennies, les chercheurs scrutent l’univers à la recherche des particules les plus insaisissables : les neutrinos. Ces messagers cosmiques, presque sans masse et sans charge, traversent notre corps et la Terre entière en silence, porteurs d’informations précieuses sur les phénomènes les plus énergétiques de l’univers. Pourtant, une expérience menée en Antarctique vient de révéler des signaux inattendus, défiant notre compréhension actuelle de la physique des particules. Un mystère captivant qui pourrait ouvrir la porte à de nouvelles découvertes sur la nature même de la matière.

ANITA : le détecteur de l’extrême au-dessus de la glace

Pour comprendre cette énigme, il faut d’abord se pencher sur l’expérience ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna). Installée sur des ballons qui flottent à environ 40 kilomètres d’altitude au-dessus de la glace antarctique, ANITA est un détecteur de signaux radio conçu pour capter les traces laissées par les neutrinos quand ils interagissent avec la glace.

Ces particules, bien que présentes en très grand nombre dans l’univers, sont notoirement difficiles à détecter, car elles traversent la matière sans pratiquement jamais interagir. Lorsqu’un neutrino tau, un type particulier de neutrino, entre en collision avec la glace, il produit une particule secondaire appelée lepton tau. Ce dernier se désintègre ensuite dans l’atmosphère, créant une gerbe de particules qui émet des impulsions radio, détectables par ANITA.

Des signaux hors normes venus de sous l’horizon

Lors des campagnes de mesures, ANITA a capté des impulsions radio particulièrement étranges. Plutôt que de venir directement de la surface de la glace ou de se réfléchir dessus, ces signaux semblent provenir d’un angle bien plus prononcé : environ 30 degrés sous l’horizon. Ce phénomène est déroutant car, selon les modèles de physique établis, les ondes radio issues d’interactions cosmiques ne peuvent pas traverser des milliers de kilomètres de roche sans être absorbées.

Stephanie Wissel, professeure associée à l’Université d’État de Pennsylvanie et membre de l’équipe ANITA, souligne que ce type d’angle est incompatible avec la trajectoire attendue des neutrinos détectés. « C’est un problème intéressant car nous n’avons toujours pas d’explication précise sur ce que sont ces anomalies, mais ce que nous savons, c’est qu’elles ne représentent probablement pas des neutrinos », explique-t-elle.

Pourquoi ces signaux défient-ils la physique connue ?

Pour donner un peu de contexte, les neutrinos sont des particules fondamentales émises en masse par des phénomènes énergétiques tels que le Soleil, les supernovas, ou même les premiers instants de l’univers, le Big Bang. Ils ont la particularité de traverser la matière sans pratiquement jamais interagir, ce qui en fait des outils précieux pour observer des événements cosmiques autrement invisibles.

Mais pour que ces signaux radio soient détectables, le neutrino doit interagir avec la glace pour créer un effet mesurable. Le fait que les signaux détectés par ANITA semblent venir de sous la glace, dans une direction que la physique classique ne permet pas, laisse penser que quelque chose d’inconnu pourrait être à l’œuvre.

Les chercheurs ont tenté d’expliquer ces signaux en les comparant aux données d’autres grands détecteurs comme IceCube, basé en Antarctique aussi, et l’observatoire Pierre Auger en Argentine. Aucun de ces instruments n’a enregistré d’événements similaires, ce qui écarte pour l’instant les hypothèses les plus simples basées sur les neutrinos ou autres particules déjà connues.

Ces impulsions radio inhabituelles ont été détectées par l’expérience ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), une série d’instruments embarqués sur des ballons au-dessus de l’Antarctique, conçus pour détecter les ondes radio émises par les rayons cosmiques frappant l’atmosphère. Crédit : Stephanie Wissel / Penn State.

Une possible nouvelle physique ?

Face à ce mystère, plusieurs hypothèses ont été évoquées, parmi lesquelles l’existence d’un nouveau type de particule ou des interactions jusqu’ici inconnues. Certains chercheurs suggèrent que ces signaux pourraient être liés à la matière noire, cette substance invisible qui compose une grande partie de l’univers mais reste difficile à détecter.

Cependant, le manque d’observations confirmées dans d’autres expériences tempère ces spéculations. La nature exacte de ces signaux demeure inconnue, et il pourrait aussi s’agir d’un effet particulier de propagation des ondes radio dans la glace ou dans l’atmosphère, encore mal compris.

Stephanie Wissel confie : « Je suppose qu’un effet intéressant de propagation radio se produit près de la glace et également près de l’horizon que je ne comprends pas entièrement, mais nous en avons certainement exploré plusieurs, et nous n’avons pas encore pu en trouver aucun. »

Vers de nouveaux détecteurs plus puissants : le projet PUEO

Pour percer ce mystère, la communauté scientifique ne baisse pas les bras. Penn State et ses partenaires travaillent actuellement sur un nouveau détecteur, baptisé PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations). Plus grand et plus sensible qu’ANITA, PUEO sera capable de capter davantage de signaux avec une précision accrue.

L’objectif est double : mieux comprendre ces signaux mystérieux et, idéalement, détecter de manière plus fiable les neutrinos issus des confins de l’univers. En améliorant la sensibilité, les scientifiques espèrent collecter suffisamment de données pour démêler ce qui relève de nouvelles particules ou d’effets atmosphériques complexes.

Une fenêtre ouverte sur l’inconnu

Cette énigme cosmique illustre parfaitement la nature même de la recherche scientifique : avancer pas à pas, en questionnant sans cesse ce que l’on croit savoir. Chaque anomalie détectée est une invitation à explorer, à remettre en cause nos modèles, et peut-être à découvrir des phénomènes jusque-là invisibles.

Si les signaux étranges d’ANITA se confirment comme un indice de nouvelle physique, cela pourrait révolutionner notre compréhension de l’univers, ouvrant des perspectives fascinantes en astrophysique, cosmologie et physique des particules.

En attendant, le mystère reste entier. Mais grâce à des projets innovants comme PUEO, la communauté scientifique est mieux équipée que jamais pour lever le voile sur ces signaux venus du froid antarctique, et peut-être révéler des secrets jusque-là enfouis dans la glace.