Des impulsions radio détectées inexpliquées provenant de la glace en Antarctique par ANITA sont remises en cause

Des signaux qui remontent… du sol ?

Vous avez probablement croisé l’acronyme ANITA dans les discussions sur les rayons cosmiques. Installée sur des ballons stratosphériques survolant l’Antarctique, cette antenne a enregistré des impulsions radio atypiques, venant d’angles très en dessous de l’horizon. Et c’est bien là que le problème commence.

En théorie, ces signaux ne devraient pas exister. Les pulses observés possèdent une polarisation horizontale nette, mais sans l’inversion attendue si le signal avait été réfléchi par la glace, comme cela arrive avec les rayons cosmiques descendants. Leur origine semble donc bien remonter… de la Terre. Or, à ces énergies (supérieures à 0,1 EeV), tout neutrino qui aurait provoqué un tel phénomène aurait dû traverser plusieurs milliers de kilomètres de matière terrestre, un parcours tout sauf transparent. Les probabilités d’interaction sont alors quasi nulles dans le cadre du modèle standard.

L’hypothèse des neutrinos tau ascendants mise à l’épreuve

Pour expliquer ces observations, plusieurs travaux ont proposé une origine exotique : des neutrinos tau (ντ) ultra-énergétiques interagiraient dans la croûte terrestre, produisant des leptons tau qui, eux, émergeraient à la surface avant de se désintégrer en gerbes atmosphériques. Celles-ci pourraient alors émettre les pulses radio détectés par ANITA.

Mais cette hypothèse présente une faille majeure. Pour reproduire les observations, les neutrinos devraient avoir traversé entre 8 et 10 longueurs d’interaction avant d’interagir. Cela correspond à une atténuation d’un facteur supérieur à 10⁷. Si un tel flux existait, il aurait dû être détecté par d’autres instruments sensibles aux neutrinos tau rasants, comme IceCube ou l’Observatoire Pierre Auger.

Pierre Auger en mode détection inversée

Les chercheurs ont donc cherché à vérifier ces observations à l’aide d’un autre géant de la détection cosmique : le détecteur de fluorescence de l’Observatoire Pierre Auger. Spécialement conçu pour observer la lumière émise par les gerbes cosmiques dans l’atmosphère, ce dispositif peut également détecter des événements ascendants, à condition de les filtrer méthodiquement.

L’étude s’est focalisée sur des événements dont l’angle zénithal excède 110°, soit des gerbes en provenance du sous-sol. Après une sélection rigoureuse sur plus de 7,6 millions d’événements détectés entre 2004 et 2018, un seul événement a passé tous les filtres, alors que l’on s’attendait à environ 0,27 événement de fond dû à des reconstructions erronées.

Simulation contre hypothèse : un verdict sévère

Pour évaluer la compatibilité avec les observations d’ANITA, des millions de simulations ont été réalisées, tant pour des gerbes cosmiques classiques que pour des gerbes ascendantes. L’équipe a introduit un discriminant basé sur le rapport de vraisemblance entre reconstructions ascendante et descendante, permettant de trier les événements de manière statistiquement robuste.

Résultat : Si l’on suppose que les événements d’ANITA proviennent bien de gerbes ascendantes induites par des neutrinos tau ou d’autres particules exotiques, le nombre d’événements attendus à Auger aurait été largement supérieur. Par exemple :

• 59 événements attendus pour un spectre en E⁻³,
• 8,1 événements pour un spectre plus conservateur en E⁻⁵.

La non-observation statistiquement significative à Auger réfute donc l’origine ascendante des événements d’ANITA dans le cadre d’un flux diffus.

La variable de tous les soupçons : l’altitude de départ

La comparaison des expositions d’ANITA et d’Auger en fonction de l’altitude de départ des gerbes révèle une différence nette. ANITA est surtout sensible aux gerbes initiées à haute altitude (jusqu’à 9 km), là où Auger perd rapidement en sensibilité. Cependant, pour qu’un tel biais suffise à réconcilier les données, il faudrait que l’ensemble des gerbes détectées par ANITA soient concentrées dans une tranche d’altitude étroite et élevée, ce qui reste hautement improbable en l’absence d’un mécanisme bien établi.

Des scénarios exotiques confrontés au réel

Les résultats présentés ne ferment pas la porte à toute nouvelle physique, mais imposent une contrainte sévère sur les modèles invoquant des particules hypothétiques ou des processus rares pour expliquer les événements d’ANITA. Pour rester compatibles avec les observations de Pierre Auger, ces modèles doivent :

• Soit produire des gerbes très hautes dans l’atmosphère, ce qui implique une propagation à travers l’air sans interaction,
• Soit proposer un spectre extrêmement raide (E⁻⁵ ou au-delà), ce qui réduit considérablement le nombre d’événements à haute énergie.

Dans tous les cas, l’hypothèse de gerbes ascendantes induites par des particules traversant la Terre est désormais fortement disqualifiée par la méthodologie et les résultats présentés.

Un futur pour les événements « anormaux » ?

Si les signaux d’ANITA ne viennent pas de gerbes ascendantes, restent à explorer d’autres possibilités :

• Réflexions multiples ou artefacts radio inédits ?
• Bruits de fond mal modélisés ?
• Événements ultra-locaux dans l’antenne ou l’environnement du ballon ?

Le mystère demeure, mais une chose est désormais claire : le modèle standard résiste, et le détecteur Pierre Auger vient d’en donner une nouvelle démonstration empirique.

Source l’étude : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.121003

Crédit photo : Crédit : Stephanie Wissel / Penn State