IceCube

IceCube est le plus grand télescope à neutrinos du monde. Il n'est pas constitué d'une cuve, mais d'un kilomètre cube de glace antarctique — parsemé de capteurs de lumière suspendus au fond de forages profonds.

L'installation se trouve au pôle Sud géographique, immédiatement à côté de la station Amundsen-Scott, et a été achevée en décembre 2010.

Le dispositif

5 160 capteurs de lumière sphériques sont suspendus à 86 câbles d'acier à des profondeurs comprises entre 1 450 et 2 450 mètres. Chaque sphère contient un photomultiplicateur et l'électronique correspondante ; elle doit résister à la pression et ne pas tomber en panne pendant des décennies, car elle ne sera plus jamais accessible.

Les forages ont été fondus à l'eau chaude — un trou de 2,5 kilomètres de profondeur en deux jours environ. L'eau regèle ensuite autour des capteurs et les emprisonne pour toujours.

La détection se fait par rayonnement Tcherenkov. Un neutrino produit, lors d'une interaction dans la glace, une particule chargée dont les capteurs recueillent le cône lumineux. À partir des temps d'arrivée sur les différentes sphères, on reconstruit la direction et l'énergie.

Pourquoi la glace

La glace antarctique profonde est étonnamment claire — plus claire que n'importe quelle eau purifiée artificiellement, parce que la pression a expulsé toutes les bulles d'air au fil des millénaires.

Elle est en outre gratuite, disponible en quantité illimitée et obscure. Et elle fait écran : au-dessus des capteurs s'étendent un kilomètre et demi de glace, qui arrêtent la plus grande partie des muons cosmiques.

L'inconvénient par rapport à l'eau est la diffusion. La glace contient des joints de grains et des couches de poussière issues d'époques climatiques passées, sur lesquels la lumière change de direction. La détermination de la direction est de ce fait moins précise que chez KM3NeT, en Méditerranée.

La Terre comme filtre

C'est un tour de main qui rend le télescope utilisable. D'en haut s'abattent en permanence des muons venus de l'atmosphère — des millions de fois plus fréquents que le moindre événement neutrino.

C'est pourquoi IceCube regarde vers le bas. Les neutrinos qui viennent de l'hémisphère Nord traversent la Terre entière et entrent par le bas dans le détecteur. Tout le reste est arrêté par la planète.

Le pôle Sud regarde ainsi le ciel du Nord.

Ce qui a été trouvé

2013 — les premiers neutrinos cosmiques. La collaboration a signalé des événements d'énergies de l'ordre du pétaélectronvolt, mille fois au-dessus de tout ce que produisent les accélérateurs. Leur répartition sur le ciel montrait qu'ils devaient provenir de l'extérieur de notre galaxie. Les trois premiers ont reçu des surnoms tirés de Sesame Street.

2017 — la première source nommée. Le 22 septembre, IceCube a enregistré un neutrino de haute énergie et a émis en quelques minutes une alerte automatique vers les observatoires du monde entier. Des télescopes se sont braqués sur l'endroit et y ont trouvé un blazar — le noyau actif d'une galaxie lointaine portant la désignation TXS 0506+056, qui était justement en éruption.

Pour la première fois, un neutrino cosmique isolé a pu être attribué à une source nommée. L'épisode fait figure d'exemple type de l'astronomie multi-messagers.

2023 — la Voie lactée en neutrinos. De dix ans de données est née une carte de notre propre galaxie, dessinée non pas avec de la lumière, mais avec des particules. On y voit briller le disque galactique — la même structure que l'on voit dans le ciel nocturne sous la forme de la Voie lactée, mais dans un messager tout à fait différent.

Ce qu'IceCube accomplit par ailleurs

Le détecteur mesure les neutrinos atmosphériques et en déduit des paramètres d'oscillation. La zone intérieure DeepCore, plus densément équipée, abaisse le seuil de détection à cette fin.

Lors d'une supernova dans notre galaxie, l'illumination simultanée de tous les capteurs donnerait un signal, même sans résoudre les événements individuels.

IceCube-Gen2, d'un volume environ huit fois supérieur, est prévu.

Notions liées

• Astronomie neutrino — le domaine de recherche
• KM3NeT — le pendant en Méditerranée
• Rayonnement Tcherenkov — le principe de détection
• Muons cosmiques — le bruit de fond

Sources

• Collaboration IceCube : Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos, Science 342, 1242856 (2013).
• Collaboration IceCube et al. : Multimessenger observations of a flaring blazar, Science 361, eaat1378 (2018).
• Collaboration IceCube : Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane, Science 380, 1338 (2023).