How big is Neutrino à haute énergie?

Un neutrino à haute énergie est un neutrino qui transporte une très grande quantité d'énergie, comme ceux qui atteignent la Terre depuis les profondeurs de l'espace. Les neutrinos sont des particules élémentaires sans charge électrique et presque sans masse. Aucune expérience n'a mesuré la taille d'un neutrino, donc le chiffre indiqué n'est pas une mesure.

Taille

La ligne de taille indique 15 zeptomètres, soit 1,5 × 10⁻²⁰ mètre. Un zeptomètre vaut 10⁻²¹ mètre, soit un millième d'un milliardième d'un milliardième de mètre. La notation 10⁻²¹ signifie 1 divisé par un 1 suivi de 21 zéros. L'explorateur ne précise pas quelle énergie possède son neutrino à haute énergie, et aucune expérience n'a mesuré la taille des neutrinos, quelle que soit leur énergie.

Pour les quarks, les expériences ont au moins fixé une limite supérieure de taille. Pour les neutrinos, les physiciens ne s'accordent même pas sur la façon de définir une taille. Le Particle Data Group, qui rassemble les mesures de particules du monde entier, donne des limites pour une grandeur appelée le rayon de charge du neutrino. Il précise aussi que le sens de cette grandeur reste débattu.

Ce que l'on sait bien, c'est à quel point les neutrinos interagissent rarement avec quoi que ce soit. Un neutrino ne subit que deux des quatre forces fondamentales, la force faible et la gravité. N'ayant pas de charge électrique, il n'est ni poussé ni attiré par les forces électriques et magnétiques, et il ne subit pas la force forte qui lie les quarks.

Comparaisons de taille

En dehors de la gravité, un neutrino ne peut agir sur une autre particule que par la force faible, qui a une portée d'environ 10⁻¹⁸ mètre. C'est moins d'un millième de la largeur d'un proton, qui mesure environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre.
La plupart des neutrinos traversent la Terre tout entière, qui mesure 12 742 kilomètres de diamètre, sans être arrêtés.
La probabilité d'un impact augmente avec l'énergie. Un neutrino d'une énergie de 40 TeV (40 billions d'électronvolts, l'électronvolt étant une unité d'énergie minuscule) parcourt en moyenne l'équivalent de la largeur de la Terre avant que la Terre ne l'arrête.
Pour détecter les quelques neutrinos qui interagissent, le détecteur IceCube, au pôle Sud, surveille un kilomètre cube de glace, à l'aide de 5 160 capteurs de lumière suspendus entre 1 450 et 2 450 mètres sous la surface.

Les neutrinos venus de l'espace

Entre mai 2010 et mai 2012, IceCube a enregistré 28 événements à haute énergie, bien plus que les environ 11 attendus à partir de particules créées dans l'atmosphère terrestre. Les deux plus énergétiques transportaient chacun environ 1 PeV, soit 1 000 TeV. En 2013, l'équipe d'IceCube a indiqué que ces événements constituaient des indices de neutrinos à haute énergie venus de l'espace.

Le 13 février 2023, le détecteur ARCA du télescope KM3NeT, à 3 450 mètres de profondeur dans la mer Méditerranée au large de la Sicile, a enregistré un neutrino d'une énergie estimée à environ 220 PeV. En 2026, il s'agit du neutrino le plus énergétique jamais observé. Cette seule particule transportait à peu près autant d'énergie qu'une balle de tennis tombant d'une hauteur de 6 centimètres.

Les scientifiques pensent que de tels neutrinos proviennent des endroits les plus violents de l'univers, comme les environs de trous noirs supermassifs et d'étoiles en explosion. Là, des particules appelées rayons cosmiques sont accélérées à des énergies énormes et peuvent produire des neutrinos.

Comment on capture les neutrinos

Les neutrinos sont la deuxième particule la plus courante dans l'univers, après les photons, les particules de lumière. Pourtant, ils interagissent si rarement que, selon les mots du manuel OpenStax Astronomy, « la Terre est plus transparente pour un neutrino que la vitre la plus fine et la plus propre ne l'est pour un photon de lumière ». Pour les capturer, il faut des détecteurs immenses.

IceCube et KM3NeT surveillent d'immenses volumes de glace ou d'eau de mer. Quand un neutrino heurte effectivement quelque chose, il produit des particules chargées électriquement qui émettent une lueur bleutée appelée lumière de Tcherenkov. Des capteurs enregistrent cette lueur, et les physiciens s'en servent pour déterminer la direction et l'énergie du neutrino.